DE69828169T2

DE69828169T2 - Ausgleichssystem und verfahren für in serie geschaltete energiespeichervorrichtungen

Info

Publication number: DE69828169T2
Application number: DE69828169T
Authority: DE
Inventors: Jean Rouillard; Christophe Comte; A. Ronald HAGEN; B. Orlin KNUDSON; Andre Longueuil MORIN; Guy Ross
Original assignee: Hydro Quebec; 3M Innovative Properties Co
Current assignee: Bathium Canada Inc; 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1997-07-25
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: CA2297739A1; CA2297739C; EP0998779A1; JP2008220167A; EP0998779B1; AU8584198A; US5952815A; JP2001511638A; WO1999005767A1; DE69828169D1

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein wiederaufladbare Energiespeichervorrichtungen und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln der Spannungen von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen während eines Ladevorgangs.
Hintergrund der Erfindung
In jüngster Zeit sind zahlreiche verbesserte Energiespeichervorrichtungstechniken entwickelt worden, beispielsweise Metallhydrid- (z. B. Ni-MH), Lithiumionen- und Lithium-Polymerzellentechniken, von denen erwartet wird, daß für einen weiten Bereich kommerzieller und kundenspezifischer Anwendungen eine Hochenergiequelle bereitgestellt werden kann. In Hochenergieanwendungen werden typischerweise eine wesentliche Anzahl einzelner Energiespeichervorrichtungen oder -zellen in Serie und parallel geschaltet, um höhere Spannungen bzw. Ströme zu erzeugen. Durch derartiges Kombinieren von Zellen wird die Energie- oder Leistungskapazität des Energiespeichersystems erhöht. Beispielsweise wird erwartet, daß ein zum Antreiben eines Elektrofahrzeugs geeignetes Batteriesystem eine Nennspannung in der Größenordnung von mehreren hundert Volt und einen Nennstrom in der Größenordnung von mehreren hundert Ampere haben wird.
In Anwendungen, in denen wiederaufladbare Energiespeicherzellen in Serie geschaltet sind, ist es wünschenswert, Zellen zu verwenden, die hinsichtlich ihrer elektrochemischen Eigenschaften und Spannungs-Strom-Charakteristiken gleich oder sehr ähnlich sind. Es ist bekannt, daß während des Lade- und Entladevorgangs häufig Probleme auftreten, wenn eine Speicherzelle in einer Serienschaltung von Zellen Eigenschaften oder Kenngrößen hat, die sich von denjenigen der anderen in Serie geschalteten Energiespeicherzellen wesentlich unterscheiden. Eine nachteilige Wirkung betrifft beispielsweise die Spannung einer anomalen Energiespeicherzelle in einer Serienschaltung, die während eines Ladevorgangs einen maximalen Nennspannungsgrenzwert rasch überschreitet. Ein solcher Überspannungs- oder Überladungszustand kann die Zelle beschädigen oder zerstören und die Lebensdauer der Zelle und anderer Zellen in der Serienschaltung wesentlich verkürzen.
Die Charakteristiken bzw. Kenngrößen von in Mengenfertigung hergestellten Energiespeicherzellen wird von einem vorgegebenen Satz von Soll-Charakteristiken in verschiedenen Graden abweichen. Außerdem werden Zellencharakteristiken, auch wenn sie zum Zeitpunkt der Herstellung als geeignet betrachtet werden, mit der Zeit in verschiedenen Graden von Soll-Charakteristiken abweichen. Um sowohl feine als auch deutliche Unterschiede in den chemischen Zelleneigenschaften und in der Zellenleistung zwischen in Serie geschalteten Zellen geeignet zu kompensieren, sind mehrere Techniken entwickelt worden, die die nachteiligen Wirkungen der Ungleichheit der Zellen berücksichtigen, die typischerweise beim Aufladen einer Serienschaltung von Zellen auftreten.
Ein herkömmliches Verfahren zum Schützen einer wiederaufladbaren Energiespeichervorrichtung, z. B. einer Batterie, vor einem Überladungszustand während des Ladevorgangs beinhaltet das Steuern der Spannung über die Batterieanschlüsse. Obwohl dieses Verfahren geeignet sein kann, wenn es für eine einzelne Batterie oder mehrere parallelgeschaltete Batterien verwendet wird, würde sich ein solches Verfahren für einzelne in Serie geschaltete Batterien als unwirksam erweisen, weil die Spannung einer einzelnen in Serie geschalteten Batterie durch ein derartiges Verfahren nicht gesteuert werden kann. Bestimmte Verfahren, in denen ein Unterspannungsschalter und ein Überspannungsschalter in einer Laderegelungsschaltung verwendet werden, sind zum Schützen einer einzelnen Batterie in einer Serienschaltung von Batterien ähnlicherweise unwirksam.
Andere herkömmliche Überladungsschutztechniken, die Überspannungs- und Unterspannungsschalter verwenden, haben andere wesentlichen Nachteile, insbesondere wenn hohe Nennströme und -spannungen vorliegen. Die Über- und Unterspannungsschalter müssen in diesen Techniken typischerweise den vollen Entlade- und Ladestrom des Batteriesystems aufnehmen. In Hochenergieanwendungen, in denen mehrere hundert Ampere Strom erzeugt und übertragen werden müssen, würden derartige Schalter wahrscheinlich sehr teuer und daher für ein kosteneffizientes Energie- oder Leistungsversorgungssystem kaum akzeptabel sein. Außerdem unterbricht, wenn eine der in Serie geschalteten Zellen oder Batterien einen vollständig geladenen Zustand erreicht, eine herkömmliche Überladungsschutzschaltung typischerweise den Ladestromfluß zu allen anderen Zellen oder Batterien in der Serienschaltung. Daher wird jede der in Serie geschalteten Zellen oder Batterien auf ein anderes Potential aufgeladen, wodurch ein unausgeglichenes oder unabgeglichenes Energiespeichersystem erhalten wird.
In der WO-A-98/11620, veröffentlicht am 19. März 1998, die Priorität vom 16. September 1996 beansprucht, ist ein System beschrieben, in dem verhindert wird, daß die einzelnen Batterien einer Serienschaltung von Batterien während eines Ladevorgangs der Serienschaltung überladen werden oder eine übermäßige Entladung während des Entladevorgangs der Serienschaltung auftritt, indem das Ladepotential der Batterien überwacht wird. Wenn erfaßt wird, daß das Potential einen Ladegrenzwert erreicht hat, wird ein Nebenschlußstrom oder Nebenstrom für diese Batterie erzeugt, dessen Größe dem Strompegel in der Serienschaltung gleicht. Dadurch wird veranlaßt, daß der Pegel des durch diese Batterie fließenden Stroms im wesentlichen auf null abnimmt, so daß diese Batterie effektiv aus der Serienschaltung entfernt wird, ohne daß ihre Verbindung mit der Serienschaltung tatsächlich unterbrochen wird, wie dies bei Verwendung eines Schalters der Fall wäre. Dies wird durch zyklisches Auf- und Entladen von zu den Batterien parallelgeschalteten Spulen bzw. Induktoren ausgeführt, wenn erfaßt wird, daß ihre Ladung einen oberen oder einen unteren Grenzwert erreicht hat. Das dargestellte System unterbricht einfach den Ladestrom zu einer bestimmten Batterie einer Serienschaltung von Batterien, wenn sie ihren Ladungsgrenzwert erreicht hat, um eine Beschädigung der Batterie durch eine Überladung zu verhindern.
In der EP-A-0652620 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die dazu geeignet sind, die Spannungen von in Serie geschalteten Batterien (1 bis n) während eines Ladevorgangs ab- oder auszugleichen. Die Spannung (V1 bis Vn) und die Temperatur (T1 bis Tn) jeder Batterie werden gemessen, und nur die Batterie mit der niedrigsten Spannung wird mit einem Strom höherer Intensität geladen, und für die anderen Batterien wird eine Stromumleitung eingerichtet. Die Schritte werden wiederholt, bis alle Batterien (1 bis n) die gleiche Spannung bezüglich der gemessenen Temperatur erreicht haben. Dadurch wird der Ladestrom zu allen Batterien außer zu der bestimmten Batterie mit der niedrigsten Spannung unterbrochen.
In der Batterieherstellungsindustrie besteht Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum effektiven und sicheren Laden mehrerer in Serie geschalteter Energiespeichervorrichtungen. Es besteht außerdem Bedarf für ein Verfahren zum Ab- oder Ausgleichen der Potentiale von in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen. Durch die vorliegende Erfindung wird dieser Bedarf gedeckt und werden andere Anforderungen erfüllt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 16. Es wird eine Abgleichschaltung zum Steuern einer Ladestrommenge bereitgestellt, die einzelnen elektrochemischen Zellen in einer Serienschaltung elektrochemischer Zellen zugeführt wird, ohne daß der Ladestromflusses durch die Serienschaltung unterbrochen wird. Die Abgleichschaltung gleicht das Potential jeder der elektrochemischen Zellen während eines Ladevorgangs innerhalb eines zulässigen Spannungs-Sollwertbereichs und gegebenenfalls auch vor einem Anfangsladevorgang ab. Der Abgleich von Zellenpotentialen kann in der Endphase eines Ladezyklus oder während des gesamten Ladezyklus ausgeführt werden. Außerdem wird für jede der elektrochemischen Zellen der Serienschaltung ein Überladungsschutz bereitgestellt. Während eines Entladebetriebsmodus ist die Abgleichschaltung gemäß einer Ausführungsform bezüglich des Entladestromflusses von der Serienschaltung elektrochemischer Zellen im wesentlichen nicht leitend. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann der Abgleich der Serienschaltung von Zellen während eines Bereitschaftsbetriebsmodus ausgeführt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Energiespeichersystem mit mehreren in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen und mit mit den Energiespeichervorrichtungen verbundenen Abgleicheinheiten zum Bereitstellen einer Spannungsregelung während eines Ladevorgangs;
2 zeigt mehrere elektrochemische Zellen, die eine Energiespeichervorrichtung bilden, die zu einer Abgleicheinheit parallelgeschaltet ist;
3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Dünnschicht-Halbleiterzelle mit einer prismenförmigen Konfiguration;
4 zeigt verschiedene Schichtlagen, aus denen die in 3 dargestellte elektrochemische Zelle besteht;
5 zeigt einen Graphen zum Charakterisieren einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Zelle bezüglich einer Zellenspannung und einer Zellenkapazität;
6 zeigt verschiedene Konfigurationen einer Energiespeichervorrichtung, d. h. eine Zelleneinheit-, eine Modul- und eine Batteriekonfiguration;
7 zeigt eine Explosionsansicht eines Energiespeichermoduls, das mehrere miteinander verbundene elektrochemische Dünnschichtzellen aufweist.
8 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Zellenspannung und einem Zellenstrom während eines Ladevorgangs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt verschiedene Verarbeitungsschritte eines Lade- und Abgleichprozesses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung einer Energiespei chervorrichtung, auf die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Lade- und Abgleichverarbeitung angewendet wird;
11–12 zeigen ein Ablaufdiagramm verschiedener Schritte einer Ladeverarbeitung bzw. einer Abgleichverarbeitung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13–14 zeigen eine alternative Ausführungsform einer Abgleichschaltung;
15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Abgleichschaltung;
16 zeigt verschiedene Wellenformen, die die Funktionsweise verschiedener Komponenten der in 15 dargestellten Abgleichschaltung charakterisieren;
17A–17B zeigen Darstellungen einer Schaltung, die der in 15 dargestellten Schaltung äquivalent ist, in zwei verschiedenen Betriebszuständen;
18 zeigt verschiedene Wellenformen, die der in den 17A–17B dargestellten Schaltung zugeordnet sind;
19–20 zeigen eine andere Ausführungsform einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abgleichschaltung;
21 zeigt eine grafische Darstellung von Unterschieden in der Ladespannung und im Ladestrom, wenn zwei verschiedene erfindungsgemäße Abgleichtechniken verwendet werden;
22 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Beschreiben verschiedener Verarbeitungsschritte einer Abgleichschaltung, wenn ein kontinuierliches Abgleichverfahren verwendet wird;
23 zeigt eine Darstellung einer Präzisions-Spannungsmeßschaltung für in Serie geschaltete elektrochemische Zellen;
24–27 zeigen eine Ausführungsform einer linearen Abgleichschaltung;
28 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen dem Strom und der Spannung für die in den 24–27 dargestellte lineare Abgleichschaltung;
29 zeigt eine Ausführungsform einer Hochstrom-Abgleichschaltung mit einem Abgleichmodul und einem Mikrocontroller;
30–31 zeigen eine Ausführungsform einer Hochstrom-Abgleichschaltung, die mit einem Mikrocontroller und mehreren in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen verbunden ist;
32 zeigt eine schematische Darstellung einer Hochstrom-Abgleichschaltung;
33A–33B zeigen Darstellungen einer Schaltung, die der in 32 dargestellten Schaltung äquivalent ist, in zwei verschiedenen Betriebszuständen;
34 zeigt verschiedene Spannungs- und Stromwellenformen einer Zelle, einer Abgleichschaltung bzw. eines Ladegeräts in der Endphase einer Abgleichverarbeitung;
35 zeigt eine grafische Darstellung einer Spannungswellenform für eine Zelle, auf die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Hochleistungs-Abgleichverarbeitung angewendet wird;
36 zeigt ein Diagramm eines digitalen Steuersignals, das durch eine Signaltreiberschaltung erzeugt wird, die einen Umleitungstransistor einer Hochstrom-Abgleichschaltung steuert;
37 zeigt Wellenformen, die der Gate-Source-Spannung eines Transistors, einem Umleitungsstrom einer Abgleichschaltung bzw, einem Zellenstrom zugeordnet sind, in Antwort auf Steuersignale, die durch einen Signaltreiber einer Hochstrom-Abgleichschaltung erzeugt werden;
38 zeigt eine Ausführungsform eines integrierten Abgleich- und Umleitungsmoduls, das eine Schaltung zum Aus führen von Zellenabgleich- und Zellenumleitungsfunktionen aufweist; und
39 zeigt eine Darstellung einer Verbindungsleiterplatte (Interconnect-Board), auf der das in 38 dargestellte integrierte Abgleich- und Umleitungsmodul angeordnet ist.
Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Die Zeichnungen, und insbesondere 1, zeigen eine Ausführungsform eines Energiespeichersystems, in dem eine Abgleichschaltung verwendet wird, die gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien arbeitet. Das in 1 dargestellte Energiespeichersystem weist mehrere Energiespeichervorrichtungen 80 auf, die durch eine gemeinsame Verbindung oder einen Bus 85 zwischen einem positiven Anschluß 81 und einem negativen Anschluß 83 in Serie geschaltet sind. Jeder Energiespeichervorrichtung 80 ist eine typischerweise dazu parallelgeschaltete Abgleicheinheit 82 zugeordnet.
Während eines Entladebetriebsmodus erzeugt die Energiespeichervorrichtung 80 einen Entladestrom I_D, der einer Last 84 oder einem anderen energieverbrauchenden Element zugeführt wird. Jede der Abgleicheinheiten 82 verbleibt in einem nichtleitenden Zustand, um den Fluß des Entladestroms I_D durch die in Serie geschalteten Vorrichtungen 80 nicht zu unterbrechen. Die Abgleicheinheiten 82 können daher während des Entladebetriebsmodus als bezüglich der Serienschaltung von Energiespeichervorrichtungen 80 elektrisch isoliert betrachtet werden.
Während eines Ladebetriebsmodus, der typischerweise eine Ladephase und eine Abgleichphase aufweist, führt die Ladeeinheit 84 einen Ladestrom I_C zu, der vom positiven Anschluß einer Ladeeinheit 84 über die Serienschaltung der Energiespeichervorrichtungen 80 fließt und zum negativen An schluß der Ladeeinheit 84 zurückfließt. Anfangs wird der gesamte durch die Ladeeinheit 84 zugeführte Ladestrom den Energiespeichervorrichtungen 80 zugeführt, und die Abgleicheinheiten 82 befinden sich während der Ladephase eines typischen Ladeprozesses in einem nichtleitenden Zustand bezüglich den Vorrichtungen 80. Der Ladestrom, der durch die Ladeeinheit 84 der Serienschaltung von Energiespeichervorrichtungen zugeführt wird, kann ziemlich hoch sein, er kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung z. B. etwa 19 A betragen. Die Ladespannung über den positiven und den negativen Anschluß 81, 83 ändert sich typischerweise in Abhängigkeit von der Anzahl der in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen. In der in 6 dargestellten Ausführungsform eines Energiespeichermoduls liegt die Ladespannung über die Modulanschlüsse beispielsweise in der Größenordnung von insgesamt 360–400 Volt.
Wenn das Potential einer bestimmten Energiespeichervorrichtung 80 der Serienschaltung 85 während des Ladevorgangs einen vorgegebenen Spannungs-Sollwert erreicht, beginnt die zugeordnete Abgleicheinheit 82 damit, den der Energiespeichervorrichtung 80 zugeführten Ladestrom I_C zu steuern. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform steuert die Abgleicheinheit #2 82 den der Energiespeichevorrichtung #2 80 zugeführten Ladestrom I_C2 durch Bereitstellen eines steuerbaren Umleitungsstrompfades (I_EQ2), über den der gesamte oder ein Teil des Ladestroms I_C2 fließen kann. Wenn die Energiespeichervorrichtung #2 80 einen vorgegebenen Spannungs-Sollwert erreicht, z. B. einen Sollwert, der die Spannung darstellt, bei der die Energiespeichervorrichtung als vollständig geladen betrachtet wird, leitet die Abgleicheinheit #2 82 eine zunehmende Ladestrommenge I_C über den Umleitungsstrompfad (I_EQ2), wodurch die durch die Energiespeichervor richtung #2 80 empfangene Ladestrommenge I_C vermindert wird (d. h. I_C2 = I_C – I_EQ2).
Dieser durch Verwendung der Abgleicheinheit 82 ermöglichte Abgleich- oder Ausgleichvorgang wird fortgesetzt, bis die Spannung der Energiespeichervorrichtung 80 sich bei dem vorgegebenen Spannungs-Sollwert stabilisiert, wobei zu diesem Zeitpunkt der gesamte Ladestrom I_C (d. h. 100% des Ladestroms) umgeleitet oder verzweigt und die Energiespeichervorrichtung 80 durch keinen Ladestrom I_C (d. h. 0% des Ladestroms) geladen wird. Daher kann die Rate, mit der eine Energiespeichervorrichtung geladen wird, durch Steuern der Rate geändert werden, mit der der Ladestrom der Energiespeichervorrichtung zugeführt wird, wenn die Vorrichtung sich einem vollständig geladenen Zustand annähert und den vollständig geladenen Zustand erreicht.
Für Fachleute ist ersichtlich, daß durch Verwendung einer Abgleichtechnik gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien wesentliche Vorteile erzielbar sind. Ein solcher Vorteil betrifft, wie vorstehend beschrieben wurde, die Fähigkeit zum Steuern des einer bestimmten Energiespeichervorrichtung in einer Serienschaltung von Energiespeichervorrichtungen zugeführten Ladestroms ohne Unterbrechung des anderen Energiespeichervorrichtungen in der Serienschaltung zugeführten Ladestroms. Ein anderer wesentlicher Vorteil betrifft die Fähigkeit zum unabhängigen Abgleichen des Potentials jeder der in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen 80, um die spezifischen elektrochemischen Eigenschaften der einzelnen Energiespeichervorrichtungen 80 zu kompensieren, obwohl diese Vorrichtungen 80 derart konstruiert sein können, daß sie gemäß einem entsprechenden Satz von Spezifikationen arbeiten.
In einer Ausführungsform, in der eine Abgleicheinheit 82 unabhängig von anderen Abgleicheinheiten 82 arbeitet, kann eine relativ einfache und kostengünstige Abgleichschaltungsimplementierung realisiert werden. Es kann eine analoge, eine digitale oder eine Hybridschaltungsimplementierung verwendet werden. Außerdem wird z. B. durch das in 1 dargestellte Abgleichsystem ein effektiver Abgleich einer Serienschaltung von Hochleistungs-Energiespeichervorrichtungen bereitgestellt, die z. B. einen Spitzen-Betriebsstrom in der Größenordnung von 400 A und Spitzenspannungen in der Größenordnung von 400 V erzeugen.
Durch das in 1 dargestellte Abgleichsystem wird außerdem ein effektiver Überladungsschutz für jede der in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen 80 bereitgestellt. Wie im Abschnitt "Hintergrund der Erfindung" dargestellt wurde, wird die Spannung einer anomalen Energiespeichervorrichtung, die im Vergleich zu anderen Energiespeichervorrichtungen einer Serienschaltung eine ausreichend atypische, niedrigere Kapazität aufweist, während eines Ladevorgangs einen nominellen maximalen Spannungsgrenzwert schneller überschreiten. Durch eine erfindungsgemäße Abgleichtechnik wird verhindert, daß in der Serienschaltung der Energiespeichervorrichtungen ein Überladungszustand auftritt, indem der Ladestrom der einzelnen in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen gesteuert wird, wenn die Vorrichtungen sich einem vollständig geladenen Zustand annähern und den vollständig geladenen Zustand erreichen.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Energiespeichervorrichtung 90, die eine Reihe elektrochemischer Zellen 94 aufweist, die bezüglich einem positiven und einem negativen Anschluß 97, 99 parallel angeordnet sind. Eine Abgleicheinheit 92 ist zur Reihe elektrochemischer Zellen 94 parallelgeschaltet. Außerdem kann eine Umleitungsvorrichtung 96 zur Reihe elektrochemischer Zellen 94 parallelgeschaltet sein, um einen Kurzschlußpfad durch die Energiespeichervor richtung 90 bereitzustellen, falls die Zellenreihe 94 defekt sein sollte. Der hierin verwendete Ausdruck "Zelle" kann eine einzelne elektrochemische Zelle oder eine Gruppe elektrochemischer Zellen darstellen, z. B. aus acht parallelgeschalteten Zellen, die eine Zelleineinheit bilden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden die in 2 dargestellten elektrochemischen Zellen Halbleiter-Dünnschichtzellen des in den 3–4 dargestellten Typs. Solche elektrochemischen Dünnschichtzellen sind insbesondere zum Konstruieren von Hochstrom-, Hochspannungs-Energiespeichermodulen und Batterien geeignet, z. B. von Modulen bzw. Batterien, die zum Versorgen von Elektrofahrzeugen mit Leistung verwendet werden. 3 zeigt eine Ausführungsform einer prismenförmigen elektrochemischen Zelle 100, die einen Anodenkontakt 102 und einen Kathodenkontakt 104 aufweist, die entlang entgegengesetzten Rändern der elektrochemischen Zelle 100 ausgebildet sind.
In dieser Ausführungsform ist die elektrochemische Zelle 100 so konstruiert, daß ihre Länge L etwa 135 mm, ihre Höhe H etwa 149 mm und ihre Breite W_ec etwa 5,4 mm oder, wenn ein Schaumkernelement verwendet wird, etwa 5,86 mm betragen. Die Breite W_c des Kathodenkontakts 104 und des Anodenkontakts 102 beträgt jeweils etwa 3,9 mm. Eine derartige Zelle 100 weist typischerweise einen Energie-Nennwert von etwa 36,5 Wh, einen Spitzenleistungs-Nennwert von 87,0 W bei 80% Entladetiefe (DOD), eine Zellenkapazität von 14,4 Ah und einen Spannungs-Nennwert von 3,1 V bei voller Ladung auf.
Die in 3 dargestellte elektrochemische Zelle kann eine ähnliche Konstruktion wie die in 4 dargestellte Zelle haben. In dieser Ausführungsform weist die elektrochemische Zelle 120 gemäß der Darstellung eine flache gewickelte prismenförmige Konfiguration auf, die einen eine Ionentransportmembran bildenden Festpolymerelektrolyt 126, eine Lithiummetallanode 124, eine Vanadiumoxidkathode 128 und einen mittigen Stromkollektor 129 aufweist. Diese Schichtelemente werden als prismenförmige laminierte Dünnschichtstruktur ausgebildet, die auch eine Isolierschicht, z. B. eine Polypropylenschicht, aufweisen kann.
Es wird ein bekannter Sputter-Metallisierungsprozeß verwendet, um die Stromabnahme- oder -sammelkontakte entlang den Rändern 125, 123 der Anodenschicht 124 bzw. der Kathodenschicht 128 auszubilden. Durch die aufgesprühten Metallkontakte wird eine ausgezeichnete Stromabnahme entlang der Länge der Anoden- und Kathodenschichtränder 125, 123 erhalten, und die Metallkontakte haben gute elektrische Kontakt- und Wärmeübertragungseigenschaften. Die in den 3–4 dargestellten elektrochemischen Zellen können gemäß den in den US-Patenten Nr. 5423110, 5415954 und 4897917 dargestellten Techniken hergestellt werden.
5 zeigt eine grafische Darstellung einer Beziehung zwischen einer Spannung und einer Kapazität für eine elektrochemische Zelle mit einer Konstruktion, die der in den 3–4 dargestellten Konstruktion im wesentlichen ähnlich ist. Wie in 5 ersichtlich ist, weist eine einzelne elektrochemische Zelle eine nominelle Betriebsspannung im Bereich zwischen etwa 2,0 und 3,1 V auf. Es können ähnliche Spannungs-Kapazität-Kurven entwickelt werden, um Energiespeicherzellen zu charakterisieren, die unter Verwendung von Techniken hergestellt sind, die von den für die hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendeten Techniken verschieden sind, wie beispielsweise Naß- und Trockenzellentechniken, und unter Verwendung solcher Kurven können geeignete Niedrig- und Hochspannungs-Sollwerte oder andere Grenzwerte erhalten werden, um eine effektive Abgleichtechnik gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien zu implementieren.
Es können mehrere elektrochemische Zellen selektiv parallel und/oder in Serie geschaltet werden, um eine gewünschte Nennspannung bzw. einen gewünschten Nennstrom zu erhalten. Beispielsweise können gemäß den 6–7 mehrere elektrochemische Zellen 130 zusammen gruppiert und zu gemeinsamen positiven und negativen Leistungsbussen oder -leitungen parallelgeschaltet werden, um eine Zelleneinheit 132 zu bilden. Mehrere elektrochemische Zelleneinheiten 132 können dann in Serie geschaltet werden, um ein Modul 134 zu bilden. Außerdem können mehrere einzelne Module 134 in Serie geschaltet werden, um eine Batterie 136 zu bilden.
Die in 6 dargestellte Ausführungsform, die lediglich zur Erläuterung dient und die Erfindung nicht einschränken soll, zeigt eine Anordnung elektrochemischer Zellen in einer modularen Struktur, durch die ein effizientes Mittel zum Erreichen gewünschter Leistungsanforderungen für einen breiten Anwendungsbereich bereitgestellt wird. In dieser erläuternden Ausführungsform sind acht elektrochemische Zellen 130 zusammen gruppiert und parallelgeschaltet, um eine Zelleneinheit 132 zu bilden. Ein Modul 134 wird durch Gruppieren von sechs Zelleneinheiten 132 und Schalten der Einheiten 132 in Serie gebildet. Eine dargestellte Batterie 136 wird durch 24 in Serie geschaltete Module 134 gebildet.
Mit dieser Anordnung und unter der Voraussetzung, daß jede der elektrochemischen Zellen 139 Kenngrößen und Charakteristiken aufweist, die den in 5 dargestellten Kenngrößen und Charakteristiken entsprechen, wird durch jede einzelne Zelle 130 eine Gesamt-Ausgangsenergie von etwa 36,5 Wh bereitgestellt. Durch jede Zelleneinheit 132 wird eine Gesamt-Ausgangsenergie von etwa 292 Wh bereitgestellt, während durch jedes Modul 134 eine Gesamt-Ausgangsenergie von 1,75 kWh bereitgestellt wird. Durch die Batterie 136, die durch 24 in Serie geschaltete Module 134 gebildet wird, die in einer Anordnung von vier axial und sechs in Längsrichtung ausgerichteten Modulen angeordnet sind, wie in der in 6 dargestellten Ausführungsform dargestellt ist, wird eine Gesamt-Ausgangsenergie von etwa 42 kWh bereitgestellt. Die Anordnung elektrochemischer Zellen 130 und die Verbindung der Zellen 130, die eine Zelleneinheit 132, ein Modul 134 und die Batterie 136 bilden, kann sich von der in 6 dargestellten Anordnung unterscheiden.
7 zeigt eine Explosionsansicht einer Ausführungsform eines Energiespeichermoduls, das mehrere elektrochemische Zellen, Verbindungs-Hardware und Steuerungs-Hardware und Software aufnimmt. Gemäß einer Ausführungsform weist ein Modul 134 einen Stapel elektrochemischer Zellen 130 auf, die unter Verwendung einer Leistungsleiterplatte 135 verbunden sind. Der Stapel elektrochemischer Zellen 130 ist in sechs Zelleneinheiten 132 geteilt, die alle unter Verwendung von zwei Bändern 133 und zwei gegenüberliegenden Druckplatten 131 zusammengehalten werden. Auf die 48 elektrochemischen Zellen 130 wird eine kontinuierliche Druckkraft ausgeübt, die unter Verwendung der Bänder 133 und der Druckplatten 131 erzeugt wird, und ein optionales Schaumstoff- oder ein federähnliches Kernelement ist in jeder der Zellen 130 angeordnet. Das in der Mitte jeder der Zellen 130 angeordnete Schaumstoff- oder federähnliche Kernelement dient dazu, den Druck zwischen den Zellen 130 gleichmäßig zu verteilen, was besonders wichtig ist, weil die Zellenvolumina sich während der Lade- und Entladezyklen ändern. Auf der Leistungsleiterplatte 135 ist typischerweise eine Abgleichschaltung angeordnet, die Abgleichschaltung kann jedoch auch Komponenten, z. B. einen Mikroprozessor, aufweisen, der auf einer Steuerungsleiterplatte 137 oder auf einer anderen externen Karte oder Leiterplatte angeordnet sind, die mit der Leistungsleiterplatte 135 elektrisch kommuniziert.
Der Graph von 8 zeigt Strom- und Spannungskurven für eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung, z. B. für eine elektrochemische Dünnschichtzelle, auf die ein Abgleichprozeß gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien angewendet wird. Während einer durch die Zeitdauer T_C dargestellten Ladeperiode wird der Energiespeichervorrichtung oder Zelle ein im wesentlichen konstanter Ladestrom 140 zugeführt. Die Zellenspannung 144 nimmt während der Ladeperiode T_C graduell zu, während der Zellenstrom 142 im wesentlichen konstant bleibt. Wenn die Zellenspannung 144 einen vorgegebenen Spannungs-Sollwert erreicht, wird ein Abgleichprozeß aktiviert, durch den die Zellenspannung auf eine nominelle Betriebsspannung abgeglichen wird. Wie in 8 ersichtlich ist, wird der Zellenstrom 142 während der durch die Zeitdauer T_B dargestellten Zellenabgleichperiode gesteuert, um die Zellenspannung 144 bei der nominellen Betriebsspannung zu stabilisieren.
9 zeigt ein Ablaufdiagramm zum ausführlicheren Darstellen einer Verarbeitung zum Abgleichen einzelner Energiespeichervorrichtungen einer Serienschaltung von Energiespeichervorrichtungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachstehend wird auf 10 Bezug genommen, die Strom- und Spannungskurven für eine der in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen darstellt, die einem Lade- und Abgleichprozeß gemäß der in 9 dargestellten Verarbeitung unterzogen wird. Es wird vorausgesetzt, daß eine vollständig geladene Energiespeichervorrichtung oder Zelle durch Zuführen eines Zellenstroms zu einer Last oder einer anderen energieverbrauchenden Vorrichtung anfangs entladen wird (Schritt 160). Wie vorstehend diskutiert wurde, hat die Abgleichschaltung während des Zellenentladevorgangs keine nennenswerte Wirkung auf den Stromfluß durch die Seri enschaltung und befindet sich daher in einem nicht-interaktiven Zustand (Schritt 162).
In diesem erläuternden Beispiel wird vorausgesetzt, daß der Ladevorgang 164 aktiviert wird, wenn die Spannung der Energiespeichervorrichtung den in 10 als Niedrigspannungs-Sollwert dargestellten Pegel erreicht. In Abhängigkeit vom Spannungszustand der Energiespeichervorrichtungen in der Serienschaltung kann ein Vorabgleichprozeß (Schritt 166, 168) aktiviert werden. Um zu bestimmen, ob der Vorabgleichvorgang erforderlich ist, wird die Spannung jeder Energiespeichervorrichtung in der Serienschaltung ermittelt und eine Spannungsdifferenz V_D zwischen dem höchsten und dem niedrigsten erfaßten Spannungswert bestimmt.
Wenn der Vorabgleichprozeß aktiviert wird, wird ein Spannungs-Sollwert gesetzt, der dem höchsten Spannungswert entspricht, der zuvor durch Abtasten des Potentials jeder Energiespeichervorrichtung bestimmt wurde. Der Vorabgleich der Serienschaltung von Energiespeichervorrichtungen oder Zellen wird unter Verwendung im wesentlichen der gleichen Technik ausgeführt, die die in der Endphase des Ladevorgangs zum Abgleichen von Zellenpotentialen verwendet wird. Die Dauer eines typischen Vorabgleichprozesses beträgt etwa 30 Minuten oder dauert an, bis der Zellenstrom einen Wert erreicht, der anzeigt, daß das Ende des Konstantspannungs-Vorladevorgangs erreicht worden ist, was in 10 als Wartungsstrom-Sollwert dargestellt ist.
Beim Abschluß des Vorabgleichprozesses befinden sich alle Energiespeichervorrichtungen der Serienschaltung etwa auf dem gleichen Potential. Am Ende des Vorabgleichprozesses und vor dem Ladevorgang kann ein Entspannungsprozeß ausgeführt werden. Der Entspannungsprozeß beinhaltet die Unterbrechung der Zufuhr des Ladestroms zu den Energiespeicher vorrichtungen während der Entspannungsperiode, die typischerweise eine oder mehrere Minuten dauert.
Ein typischer Ladevorgang beinhaltet das Zuführen eines im wesentlichen konstanten Ladestroms 150 zu den in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtungen (Schritt 170). Im in 10 dargestellten Beispiel hat die Konstantstrom-Ladephase eine Dauer von etwa 5 Stunden oder dauert an, bis ein Zellenabgleich-Sollwert erreicht ist (Schritt 172). Die in 10 dargestellte Spannung 152 der Energiespeichervorrichtung nimmt mit der Zeit zu, bis der Zellenabgleich-Sollwert erreicht ist, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Zellenabgleichprozeß aktiviert wird (Schritt 175). Im allgemeinen wird der Aus- oder Abgleichprozeß zu einem beliebigen Zeitunkt ausgeführt, wenn die Spannung 152 der Energiespeichervorrichtung einen Hochspannungs-Sollwert überschreitet, was auftreten kann, wenn ein Ladevorgang versehentlich für vollständig aufgeladene Energiespeichervorrichtungen ausgeführt wird. Nach Abschluß des Zellenabgleichprozesses wird ein Entspannungsprozeß aktiviert, woraufhin der Ladevorgang abgeschlossen ist (Schritt 178).
Die 11 und 12 zeigen verschiedene Verarbeitungsschritte für die Lade- und Abgleichphasen eines Ladevorgangs für ein Energiespeichermodul des in den 6–7 dargestellten Typs. In dieser erläuternden Ausführungsform wird vorausgesetzt, daß das Modul sechs in Serie geschaltete Zelleneinheiten aufweist und jede Zelleneinheit acht parallelgeschaltete elektrochemische Zellen aufweist. Die Ladephase kann unabhängig vom Modulspannungszustand oder von der Entladetiefe (DOD) jederzeit aktiviert werden (Schritt 180). Ein Zeitzählwert eines Ladeprozeßzeitgebers wird auf einen Wert gesetzt, der die Zeitdauer des Ladevorgangs definiert (d. h. der Ladephase und der Abgleichphase), z. B. auf acht Stunden. Eine Ladeeinheit wird anfangs auf einen vorgegebe nen konstanten Stromwert gesetzt (Schritt 181), woraufhin den in Serie geschalteten Zelleneinheiten ein konstanter Ladestrom zugeführt wird (Schritt 182). Jede der sechs Zelleneinheiten wird überwacht (Schritt 183), um zu bestimmen, ob irgendeine der Zelleneinheiten einen vorgegebenen Spannungs-Sollwert erreicht hat, z. B. einen Hochspannungs-Sollwert von 3,1 V.
Wenn keine der Zelleneinheiten den Spannungs-Sollwert erreicht hat, und wenn die Gesamtladezeit nicht abgelaufen ist (Schritt 184), wird der Konstantstrom-Ladeprozeß für die Zelleneinheiten fortgesetzt. Wenn jedoch die Spannung irgendeiner der sechs Zelleneinheiten den Spannungs-Sollwert erreicht hat, wird der durch die Ladeeinheit zugeführte konstante Ladestrom nach einer kurzen Verzögerung (Schritt 188) um einen vorgegebenen Wert, z. B. um 1 A, vermindert (Schritt 186). Durch die kurze Verzögerung kann die Zellenspannung sich nach einer Stromänderung stabilisieren. Der Konstantstrom-Ladeprozeß wird nach der Verzögerung mit dem reduzierten Stromwert fortgesetzt, und die vorstehend beschriebenen Schritte 182–188 werden wiederholt, bis ein Strom-Sollwert, z. B. 5 A erreicht ist, wobei der Ladeprozeß zu diesem Zeitpunkt von der Ladephase in eine Abgleichphase übergeht (Schritt 189/190).
Bei der Aktivierung des Abgleichvorgangs (Schritt 190) wird ein Abgleichphasenzeitgeber auf einen Wert gesetzt, der die Zeitdauer, z. B. 1 Stunde, der Abgleichphase definiert. Die Abgleichphase beginnt typischerweise, wenn die Spannung aller sechs Zelleneinheiten den Spannungs-Sollwert erreicht hat. Eine Abgleicheinheit (jeder Zelleneinheit ist eine Abgleicheinheit zugeordnet) wird aktiviert (Schritt 191), wenn die Zelleinheitspannung den Spannungs-Sollwert erreicht. Bis die Abgleicheinheiten aller sechs Zelleneinheiten aktiviert sind (Schritt 192), wird der Konstantstrom-Ladevorgang bei dem niedrigen Strom-Sollwert (z. B. 5 A) fortgesetzt, bis der Zeitzählvorgang des Ladeprozeßzeitgebers und der Zeitzählvorgang des Abgleichphasenzeitgebers abgelaufen sind (Schritt 193), wobei der Abgleichprozeß zu diesem Zeitpunkt beendet wird (Schritt 194).
Nach der Aktivierung aller sechs Abgleicheinheiten schaltet die Ladeeinheit von einem Konstantstrom-Lademodus auf einen Konstantspannungs-Lademodus um (Schritt 195). Die Ladeeinheit wird auf eine konstante Spannung V_charger gesetzt, die der Summe der sechs Zelleneinheitspannungen gleicht, die in diesem erläuternden Beispiel etwa 18,6 V beträgt (d. h. 6 Zelleneinheiten mit einer Spannung von jeweils 3,1 V). Der Konstantspannungs-Ladevorgang wird fortgesetzt, während der Ladestrom über einem minimalen Strom-Sollwert (z. B. einem Wartungsstrompegel) verbleibt (Schritt 196), wenn die Zeitzählvorgänge des Ladeprozeßzeitgebers und des Abgleichphasenzeitgebers noch nicht abgelaufen sind (Schritt 197). Der Ladevorgang wird beendet (Schritt 198), wenn der Ladestrom unter den minimalen Strom-Sollwert absinkt oder der Zeitzählvorgang des Ladeprozeß- oder des Abgleichphasenzeitgebers abgelaufen ist (Schritt 197).
Durch die vorstehend beschriebene Abgleichtechnik wird, außer daß eine Zellenabgleichfähigkeit bereitgestellt wird, auch ein Überspannungsschutz für jede der in Serie geschalteten Zelleneinheiten bereitgestellt. Insbesondere wird, wenn die Ladespannung einer bestimmten Zelleneinheit sich z. B. einem Zellenabgleich-Sollwert oder einem Hochspannungs-Sollwert annähert, die Abgleicheinheit für die Zelleneinheit aktiviert und steuert den der bestimmten Zelleneinheit zugeführten Ladestromfluß. Dadurch wird die einer Zelleneinheit zugeführte maximale Ladespannung auf eine dem Hochspannungs-Sollwert entsprechende Spannung begrenzt.
Die 13–14 zeigen eine Ausführungsform einer gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung arbeitenden Abgleichschaltung. In diesem erläuternden Beispiel sind drei Abgleichschaltungen 202, 204, 206 dargestellt, die jeweils mit einer entsprechenden in Serie geschalteten Energiespeichervorrichtung oder Zelle 223, 225, 227 verbunden sind. Es können auch mehr als drei Zellen in Serie geschaltet sein, wobei jeder Zelle eine entsprechende Abgleichschaltung zugeordnet ist. Die Abgleichschaltungen 202, 204, 206 arbeiten typischerweise unabhängig voneinander.
Alternativ können die Abgleichschaltungen 202, 204, 206 mit einem Controller 229, z. B. mit einem Mikroprozessor, verbunden sein, der ihre Operation koordiniert und Sollwertparameter und andere Information zum Ausführen von Abgleichfunktionen bereitstellt. Durch eine Ausführungsform, die einen derartigen Controller 229 aufweist, kann vorteilhaft Betriebs- und Zustandinformation bezüglich den Abgleichschaltungen 202, 204, 206 und den Zellen 223, 225, 227 abgerufen werden. Durch eine derartige Ausführungsform kann ferner Information, z. B. Zustandinformation und Steuerparameter, zwischen dem Controller 229, der in einem Energiespeichermodul angeordnet sein kann, und einem Systemcontroller oder einem Computer ausgetauscht werden, der auf einer Batteriesystemplattform angeordnet sein kann.
Ein in 13 dargestelltes Energiespeichersystem erzeugt einen Entladestrom I_D, der von einer Zelle-1 223 zu einer Last 216 fließt und über eine Zelle-N 227 zurückfließt. 14 zeigt den Fluß eines Ladestroms I_C, der durch eine Ladeeinheit 219 erzeugt und der Serienschaltung von Zellen über die Zelle-1 223 zugeführt wird und über die Zelle-N 227 zur Ladeeinheit 219 zurückfließt. In einer Ausführungsform bildet das in den 13–14 dargestellte Energiespeichersystem eine Hochspannungsbatterie, die in der Lage ist, einen Entladestrom I_D in der Größenordnung von 400 A Peak- oder Spitzenstrom zu erzeugen, wobei die Batterie insbesondere für Systeme mit hohem Energiebedarf geeignet ist, z. B. für Elektrofahrzeuge.
Jede der Energiespeicherzellen, z. B. die Zelle-1 223 weist eine Abgleichschaltung auf, z. B. die Schaltung 202, die unabhängig von anderen Abgleichschaltungen arbeitet. Die Abgleichschaltungen 202, 204, 206 sind hinsichtlich ihrer Konfiguration und ihrer Funktion im wesentlichen gleich. Jede der Abgleichschaltungen weist einen spannungsgesteuerten Schalter 210, eine Signaltreiberschaltung 212 und einen Umleitungsschalter 212 auf. Der spannungsgesteuerte Schalter 210, der zu einer entsprechenden Zelle parallelgeschaltet ist, erfaßt eine Spannung über die Zelle und erzeugt ein Aktivierungssignal, wenn die Zellenspannung einen vorgegebenen Sollwert erreicht, z. B. den Zellenabgleich-Sollwert und/oder einen Überspannungs-Sollwert.
Das durch den spannungsgesteuerten Schalter 210 erzeugte Aktivierungssignal wird zu einer Signaltreiberschaltung 212 übertragen, die ein Steuersignal mit einer Frequenz erzeugt, die sich proportional zur Größe des Aktivierungssignals ändert. In Antwort auf das durch die Signaltreiberschaltung 212 erzeugte Steuersignal leitet der Umleitungsschalter 214 einen übermäßigen Ladestrom über den Umleitungsschalter 214, um die der Zelle zugeführte Ladestrommenge zu steuern. Der Umleitungsschalter 214 wird durch das durch die Signaltreiberschaltung 212 erzeugte Steuersignal moduliert, um den Ladestromfluß zur Zelle zu steuern und die Zellenspannung bei einem im wesentlichen konstanten Pegel zu stabilisieren.
15 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Abgleichschaltung. Obwohl die in 15 dargestellte Schaltung während aller Phasen des Zellenlade vorgangs, z. B. während der Vorabgleichphase, effektiv arbeitet, konzentriert sich die folgende Beschreibung auf die Arbeitsweise der Schaltung in der Endphase eines typischen Ladevorgangs, die den Übergang von einer Standard-Ladephase zu einer Zellenabgleichphase einschließt.
Die Abgleichschaltung 220 weist einen Differenzverstärker 222 zum Erfassen einer Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung V₁ über die Zelle 223 und einer Referenzspannung V_ref, die dem negativen bzw. dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 222 zugeführt wird. Wenn die Spannung V₁ über die Zelle 223 niedriger ist als die Referenzspannung V_ref hat das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 222 einen niedrigen Pegel. Die Referenzspannung Vref kann die Spannung darstellen, bei der die Zelle als vollständig geladen betrachtet wird (z. B. für einen Überspannungsschutz) oder den Spannungs-Sollwert, bei dem ein Abgleichprozeß aktiviert werden soll. Die Referenzspannung V_ref ist auf einen beliebigen von mehreren Referenzwerten einstellbar.
Wenn das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 222 einen niedrigen Pegel hat, hat das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 224 einen niedrigen Pegel, so daß durch die monostabile Vorrichtung 226 keine Steuersignale erzeugt werden. Der Transistor 228 ist in Antwort auf ein niedriges Ausgangssignal von der monostabilen Vorrichtung 226 in einem nichtleitenden oder AUS-Zustand eingestellt. Während der Zeitdauer, in der der Transistor 228 auf einen nichtleitenden Zustand eingestellt ist, verbleibt die Abgleichschaltung 220 bezüglich eines Zellenladevorgangs im wesentlichen nichtleitend, so daß der Zelle 223 der gesamte durch die Ladeeinheit 234 erzeugte Ladestrom zugeführt wird.
Für die weitere Beschreibung der Arbeitsweise der in 15 dargestellten Abgleichschaltung wird auf in 16 dargestellte Wellenformen Bezug genommen. Wenn die Zellenspannung V₁ 242 größer oder gleich der Referenzspannung V_ref ist, die z. B. der Abgleich-Sollwertspannung 240 entsprechen kann, geht das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 222 auf einen hohen Zustand über. Die Größe des am Ausgang des Differenzverstärkers 222 erzeugten Signals ist der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung V₁ über die Zelle 222 und der Referenzspannung V_ref proportional.
Der VCO 224 erzeugt in Antwort auf den hohen Zustand am Differenzverstärkerausgang ein Signal 244 mit einer Frequenz, die der Größe des am Ausgang des Differenzverstärkers 222 erzeugten Differenzsignals proportional ist. In einer Ausführungsform erzeugt der VCO 224 in Abhängigkeit von der Größe des am Ausgang des Differenzverstärkers 222 bereitgestellten Differenzsignals eine Frequenz durch ein Modulations(FwM)signal mit einer zwischen 0 und 100 kHz variierenden Frequenz.
In Antwort auf das durch den VCO 224 erzeugte Signal 244 erzeugt die monostabile Vorrichtung 226 unabhängig vom Tastgrad des durch den VCO 224 erzeugten Signals 244 ein Signal 246 mit einer im wesentlichen konstanten Pulsbreite oder EIN-Zeit T_on. Der Transistor 228 schaltet in Antwort auf das durch die monostabile Vorrichtung 226 erzeugte Signal T_on von einem nichtleitenden Zustand auf einen leitenden Zustand, so daß ein Ladestrom mit einem von den Kenngrößen der Spule 230 und der Zenerdiode 232 abhängigen Größe durch den Umleitungsstrompfad 247 fließen kann. Die Pulsbreite T_on des durch die monostabile Vorrichtung 226 erzeugten Steuersignals 246 sollte so gewählt werden, daß eine Sättigung der Spule 230 während der Zeitdauer T_on vermieden wird.
Während der Zeitdauer, in der der Transistor 228 auf einen leitenden Zustand eingestellt ist, wird der Strom 248 in der Zelle 223 reduziert, wodurch die Zellenspannung 242 abnimmt. Wenn der Transistor 228 auf einen nichtleitenden Zustand schaltet, nimmt der Strom 248 in der Zelle zu, und die Zellenspannung 242 nimmt ebenfalls zu, bis die Zellenspannung 242 die Referenzspannung 240 (z. B. die Abgleich-Sollwertspannung) erreicht oder überschreitet. Wenn die Zellenspannung 242 erneut die Referenzspannung V_ref 240 erreicht oder überschreitet, erzeugt der Differenzverstärker 222 ein Differenz-Ausgangssignal mit einem hohen Pegel, wodurch veranlaßt wird, daß der VCO 224 ein Signal 244 mit einer Frequenz erzeugt, die typischerweise niedriger ist als die Frequenz des zuvor erzeugten Signals 244. Dadurch ist die Periode T von durch den VCO 244 nachfolgend erzeugten Signalen 244 typischerweise kürzer als diejenige von zuvor erzeugten Signalen 244.
Die monostabile Vorrichtung 246 erzeugt in Antwort auf weitere Signale 244 mit einer kürzeren Periode T häufiger Steuersignale 246 mit einer konstanten Zeitdauer T_on, wodurch veranlaßt wird, daß der Transistor 228 häufiger auf den leitenden oder EIN-Zustand schaltet. Der vorstehend beschriebene Hochfrequenzschaltvorgang wird fortgesetzt, bis die Zellenspannung 242 sich der Referenzspannung V_ref 240 annähert, die in diesem Beispiel eine Abgleich-Sollwertspannung darstellt.
Während eines unter Verwendung der in 15 dargestellten Schaltung ausgeführten Abgleichprozesses sind zwei wesentliche Betriebsphasen beobachtbar. Die erste Phase betrifft die Zeitdauer, in der der Transistor 228 auf einen leitenden Zustand eingestellt ist, wobei 17A ein Äquivalenzschaltbild für diesen Zustand darstellt. Die zweite beobachtbare Phase von Interesse betrifft die Zeitdauer, in der der Transistor auf einen nicht Leitenden Zustand eingestellt ist, wobei 17B ein Äquivalenzschaltbild für diesen Zustand zeigt. 18 zeigt Stromwellenformen 262, 264, 266, die der Spule 230, dem Transistor 228 bzw. der Diode 232 zugeordnet sind, in Antwort auf das durch die monostabile Vorrichtung 226 erzeugte Steuersignal 246. Außerdem zeigt 18 eine Spannungssignalwellenform 268 zum Darstellen relativer Werte der Spannung der Zelle 223 in Antwort auf das durch die monostabile Vorrichtung 226 erzeugte Steuersignal 246.
Während der Zeitdauer T_on, in der der Transistor 228 auf den leitenden Zustand eingestellt ist, nimmt der Strom 262 in der Spule 230 auf einen Peak- oder Spitzenwert I_pk zu. Der Spitzenstromwert I_pk der Spule 230 ist von der Zeit T_on und der Zellenspannung abhängig, wie durch die nachstehende Gleichung [2] dargestellt ist. Es ist ersichtlich, daß der Strom im Umleitungsstrompfad, d. h. durch die Spule 230 und den Transistor 228, während der Zeitdauer T_on zunimmt, während kein Strom 266 durch die Diode 232 fließt.
Die zweite Phase von Interesse betrifft die Zeitdauer, während der der Transistor 228 auf einen nichtleitenden Zustand eingestellt ist, wobei 17B das Äquivalenzschaltbild für diesen Zustand zeigt. Wenn der Transistor 228 während der Zeitdauer T_off auf einen nichtleitenden Zustand eingestellt ist, wird die Polarität der Spule 230 umgekehrt. Wenn die Spannung V_ds über den Transistor 228 den Spannungsschwellenwert der Zenerdiode 232 erreicht, beginnt die Diode 232 Strom zu leiten, so daß die Spule 230 aberregt werden kann. Wenn der Stromfluß durch die Zenerdiode aufhört, gleicht die Spannung V_ds über den Transistor 228 dem Spannungsabfall V₁ über die Zelle 223.
Der Ladevorgang der Zelle 223 wird fortgesetzt, bis in Antwort auf das durch die monostabile Vorrichtung 226 erzeugte Steuersignal der nächste Abgleichzyklus aktiviert wird. Weil die Pulsbreite T_on des durch die monostabile Vorrichtung 226 erzeugten Signals 246 fest ist, ist der durch die Abgleichschaltung 220 fließende mittlere Umleitungsstrom der Frequenz des durch den VCO 224 erzeugten Signals 244 proportional, die gegeben ist durch: IL(average) = K·F [1] Ipk = (Vcell·Ton)/Li [2] mit K = Ipk/2·(Ton + dt) [3]wobei I_L(average) den über die Spule 230 umgeleiteten mittleren Strom, der dem mittleren konstanten Strom der Ladeeinheit gleichen sollte, I_pk den Spitzenwert des Stroms in der Spule 230, T_on die Zeitdauer, während der der Transistor 228 leitend ist und L_i die Induktivität der Spule 230 bezeichnen.
Die 19A–19B zeigen eine andere Ausführungsform einer Abgleichschaltung, die gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien arbeitet. In diesem erläuternden Beispiel weist die Abgleichschaltung eine Steuerungsleiterplatte 270 auf, die mit einer Leistungsleiterplatte 280 verbunden ist. Die Steuerungs- und die Leistungsleiterplatte 270, 280, die in 19A und in einer in 7 dargestellten Ausführungsform eines Energiespeichermoduls als zwei getrennte Leiterplatten dargestellt sind, können alternativ aus einer einzelnen Leiterplatte bestehen. Durch die in 19A dargestellte zweiteilige Ausführungsform wird vorteilhaft eine effektive Spannungsisolierung zwischen dem Controller 272 der Steuerungsleiterplatte 270 und der auf der Leistungsleiterplatte 280 angeordneten Abgleichschaltung bereitgestellt. 20 zeigt eine detailliertere schematische Darstellung der Abgleichschaltung.
In den in den 19–20 dargestellten Ausführungsformen kommuniziert ein Controller 272, z. B. ein Mikroprozessor, typischerweise mit einem (nicht dargestellten) Batterieplattformcontroller, von dem verschiedenartige Spannungs-Sollwerte und andere Parameter zum Ausführen eines Ladeprozesses empfangen werden. Solche Parameter weisen typi scherweise Niedrig- und Hochspannungs-Sollwerte und einen Zellenabgleich-Sollwert auf, z. B. die in 10 dargestellten Sollwerte. Die Steuerungsleiterplatte 270 kann die Operation einer einzelnen Abgleichschaltung oder einer beliebigen Anzahl von auf der Leistungsleiterplatte 280 angeordneten Abgleichschaltungen koordinieren.
Jeder Zelle 271 in der Serienschaltung von Zellen ist eine Abgleicheinheit zugeordnet, die einen A/D-Wandler 279 zum Umwandeln eines ein Zellenpotential anzeigenden Analogspannungssignals in ein entsprechendes Digitalspannungssignal 275 aufweist. In einer Ausführungsform ist der A/D-Wandler 279 auf ±1 LSB (niedrigstwertiges Bit) von 12 Bits oder 0,027%, entsprechend ±1 mV, genau. Das digitalisierte Zellenspannungssignal V_cell 275 für jede Zelle 271 wird dem Controller 272 zugeführt. Der Controller 272 vergleicht einen vorgegebenen Spannungsparameter mit dem Zellenspannungssignal 275 und berechnet einen die Spannungsdifferenz zwischen der Zellenspannung V_cell und dem vorgegebenen Spannungsparameter darstellenden Differenzwert. Der Differenzwert wird durch eine Pulsbreitenmodulations(PWM)Schaltung 274 verwendet, um ein Steuersignal 276 mit einer festen Periode und mit einer Pulsbreite (d. h. T_on) zu erzeugen, die sich proportional zur Größe des durch den Controller 272 berechneten Differenzwertes ändert.
Eine Isolier- oder Trennschaltung 278 mit einer Opto-Isolationsvorrichtung ist auf der Leistungsleiterplatte 280 angeordnet und empfängt das Steuersignal 276 von der Steuerungsleiterplatte 270. Das Steuersignal 276 wird dann der Abgleichschaltung 284 zugeführt. Die Abgleichschaltung 284 weist einen Leistungs-MOSFET-Transistor 277 auf, der in Antwort auf das Steuersignal 276 zwischen einem leitenden und einem nichtleitenden Zustand moduliert wird. Ein Pufferverstärker 285 ist typischerweise zwischen der Isolations vorrichtung 278 und dem Leistungstransistor 277 geschaltet. Während eines leitenden Zustands des Transistors 277 wird ein übermäßiger Ladestrom über einen Umleitungsstrompfad 286 abgeleitet, um die Spannung der Zelle 271 während des Ladeprozesses zu steuern. Während eines nichtleitenden Zustands des Transistors 277 bleibt die Abgleichschaltung 284 im wesentlichen nichtleitend und hat keine wesentliche Wirkung auf den Ladestromfluß durch die Zelle 271.
Durch die in den 19–20 dargestellte PWM-Abgleichschaltung können an Stelle von analogen Komponenten digitale Komponenten verwendet werden, wodurch der Rauschsignalpegel in der Schaltung reduziert wird. Dadurch wird zwischen dem Controller 272 und der Abgleichschaltung 284 anstatt eines Analogsignals ein digitales Steuersignal übertragen, wodurch eine im wesentlichen rauschfreie Signalübertragung ermöglicht wird. Außerdem wird durch die PWM-Technik ermöglicht, daß die auf der Leistungsleiterplatte 280 angeordnete Abgleichschaltung durch ein Programm im Controller 272 effizient steuerbar ist.
Die in den 19–20 dargestellte Ausführungsform stellt daher eine Schaltmodusabgleichimplementierung dar, gemäß der der Umleitungsstrom zwischen null und einem Maximalstrom geschaltet wird. Der mittlere Strom ist durch den Tastgrad des Schaltvorgangs bestimmt. Der Tastgrad wird durch ein PWM-Signal festgelegt. Weil der Schaltvorgang durch einen Transistor ausgeführt wird, wird sehr wenig Leistung verbraucht und ist die Schaltung hochgradig zuverlässig. Der Schaltvorgang erzeugt jedoch Rauschen, so daß gegebenenfalls ein Filtervorgang erforderlich ist, um bestimmte Parameter präzise messen zu können. Wenn die Spannungen durch den Mikrocontroller bestimmt werden, kann eine sehr vielseitige Software verwendet werden, um die Proportional-Integral-Differential- (PID) Schleife zu steuern. Die Vor hersagbarkeit des durch die Schaltschaltung erzeugten Rauschens kann durch die softwaregesteuerte Schaltmodus-Abgleichschaltung auf einfache Weise gemanagt werden.
Die 21–22 zeigen eine Ausführungsform einer Abgleichtechnik, gemäß der ein Abgleichvorgang während des Ladezyklus ausgeführt wird. Im Gegensatz zu den vorangehend beschriebenen Techniken, in denen ein Abgleichvorgang in der Endphase des Ladezyklus ausgeführt wird, nutzt das in den 21–22 dargestellte kontinuierliche Abgleichverfahren die gesamte Zeitdauer des Ladezyklus aus und verteilt die mit dem Umleitungs- oder Nebenstrom in Beziehung stehende Gesamtenergie im Vergleich zu den vorstehend beschriebenen Verfahren über eine wesentlich längere Zeitdauer. Dadurch ist während des Zellenabgleichprozesses die Nebenstrommenge pro Zeiteinheit wesentlich kleiner, und die pro Zeiteinheit verbrauchte Leistung ist ebenfalls wesentlich geringer. Der mit diesem Niedrigstromabgleichprozeß verbundene niedrigere Leistungsverbrauch führt zu einer geringeren Wärmeerzeugung und typischerweise zu einer Senkung der Kosten der elektronischen Bauteile.
Beispielsweise wird gemäß einem Prozeß, in dem ein Abgleich für ein vorgegebenes Energiespeichermodul in den letzten 15 Minuten eines 8-Stunden-Ladezyklus ausgeführt wird, ein großer Teil der durch das Ladegerät während des Abgleichprozesses zugeführten Leistung durch die Abgleichschaltung als Wärme abgegeben. Der maximale Leistungsverbrauch kann wesentlich sein, er kann z. B. für eine einzige Mehrzellen-Energiespeichervorrichtung in der Größenordnung von 120 W betragen. Durch den Niedrigstromabgleichprozeß wird ein wesentlich geringerer maximaler Leistungsverbrauch erhalten, der z. B. für eine einzelne Energiespeichervorrichtung in der Größenordnung von 12 W liegt. Außerdem kann, wenn die Zellen der Energiespeichervorrichtung geeignet ab geglichen sind, der Leistungsverbrauch weiter reduziert werden, z. B. auf etwa 1 W pro Modul.
21 zeigt Spannungs- und Stromkurven für zwei in Serie geschaltete Zellen, auf die der vorstehend beschriebene Abgleichprozeß und ein kontinuierlicher Abgleichprozeß angewendet werden. Wie anhand von 21 ersichtlich ist, wird die in Serie geschaltete Zellen mit der niedrigeren Spannung V_B1 unter Verwendung der beiden Prozesse mit der gleichen Rate geladen. Die Zelle mit der höheren Zellenspannung V_B2 wird anfangs schneller und mit einem höheren Abgleichstrom I_B2(prev) unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Abgleichprozesses geladen. Wenn ein kontinuierlicher Abgleichprozeß verwendet wird, nimmt die Spannung V_B2(cont) der Zelle mit der höheren Spannung gleichmäßiger und bei einem niedrigeren Abgleichstrom I_B2(cont) zu. Die Fläche unter jeder Kurve (I_B2(cont), I_B2(prev)) ist gleich, wodurch angezeigt wird, daß die durch beide Verfahren verbrauchte Gesamtenergie gleich ist. 21 zeigt jedoch, daß die mit dem kontinuierlichen Abgleichprozeß in Beziehung stehende Gesamtenergie über eine größere Zeitdauer verteilt ist, wodurch der Leistungsbedarf der Abgleichschaltung vermindert wird.
22 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des in 21 charakterisierten kontinuierlichen Abgleichprozesses. Zu Beginn werden die Spannungen an jedem Knoten der Serienschaltung von Zellen und der Anschlußknoten gemessen (Schritt 410). Diese Information wird einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor zugeführt, der typischerweise mit jedem von mehreren Energiespeichermodulen über ein Intra-Batterienetz kommuniziert. In einer Konfiguration, in der alle Zellen in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind, muß der Mikrocontroller keine Schaltung und keine Software aufweisen, die ansonsten für eine Kommunikation mit einem Batterieplattformcomputer über ein Netz erforderlich sind.
Der Mikrocontroller bestimmt die Zelle mit der niedrigsten Spannung V_low (Schritt 412). Dann wird eine erste Zelle der Serienschaltung ausgewählt (Schritt 413), und die Spannung V_meas der ausgewählten Zelle wird gemessen (Schritt 414). Wenn die Zellenspannung V_meas größer ist als V_low plus einer Schwellenspannung V_thresh (Schritt 416), überträgt der Mikrocontroller ein Steuersignal an die Abgleichschaltung der ersten Zelle, wodurch veranlaßt wird, daß die Schaltung einen Teil des Ladestroms um die erste Zelle herum über einen Nebenschluß leitet. Das Steuersignal kann beispielsweise ein PWM-Signal oder ein analog-digital-umgesetztes Signal sein.
Die durch die Abgleichschaltung der ersten Zelle umgeleitete Ladestrommenge I_shunt ist gegeben durch: I_shunt = k(V_meas – V_low), wobei k eine mit der voraussichtlichen umzuleitenden Energie und mit der Restladezeit in Beziehung stehende Konstante ist. Basierend auf der letzten Leistungsfähigkeit kann die Kapazität der Zelle berechnet und der Wert für I_shunt auf einen Wert im Bereich zwischen I_shunt = 0 und I_shunt = I_max eingestellt werden. Für die Schwellenspannung V_thresh muß eine typischerweise zwischen den Zellen vorhandene kleine Spannungsungleichheit berücksichtigt werden. Geringfügige Differenzen der Zellenspannungen können verschiedene Ursachen haben, z. B. Rauschen und Schwankungen der zugeführten Leistung. Wenn diese kleinen Spannungsdifferenzen ignoriert werden, wird die Abgleichschaltung ungeeignet arbeiten, so daß die Zellen kontinuierlich entladen und geladen werden.
Wenn die Spannung V_meas der ersten Zelle nicht größer ist als V_low + V_thresh, wird kein Ladestrom umgeleitet bzw. über einen Nebenschluß geleitet (Schritt 418). Die nächste Zelle der Serienschaltung wird ausgewählt (Schritt 422), und die Vergleichs- und Nebenschlußsteuerungsschritte 414, 416, 418, 420, 422, 424 werden wiederholt, bis alle Zellen innerhalb der Serienschaltung ausgewählt worden sind. Wenn alle Zellen vollständig geladen sind (Schritt 426), werden die Lade- und Abgleichprozesse beendet (Schritt 428). Wenn nicht alle Zellen geladen sind, werden die vorstehend beschriebenen Abgleichschritte für die Serienschaltung wiederholt, bis alle Zellen vollständig geladen sind.
Die in 23 dargestellte Schaltung kann für einen vorstehend beschriebenen Abgleichprozeß verwendet werden, um hochgradig präzise Spannungsmeßwerte für jede Zelle der Serienschaltung von Zellen zu erhalten. Gemäß einer herkömmlichen Meßtechnik wird typischerweise eine Differenzspannung unter Verwendung eines Differenz-Operationsverstärkers einer Meßgerätverstärkeranordnung mit einem mit einem A/D-Wandler verbundenen Einzelausgang gemessen.
Für Fachleute ist ersichtlich, daß in Präzisionsanwendungen, in denen ein sehr hohes Gleichtakt-Unterdrückungs-Verhältnis (CMRR) erforderlich ist, die Verwendung eines Differenz-Operationsverstärkers problematisch ist. Beispielsweise ist zum Messen einer Spannung mit einer Genauigkeit von 1 mV (0,001 V) über einen Dynamikbereich von 28 V ein Gleichtakt-Unterdrückungs-Verhältnis von 89 dB erforderlich. Dies ist mit einem Differenz-Operationsverstärker nur schwer erreichbar. Es kann die in 23 dargestellte Implementierung mit optisch isoliertem A/D-Wandler verwendet werden, um dieses Gleichtakt-Unterdrückungs-Verhältnis zu erreichen.
Die Spannungsmeßschaltung 430 weist zwei Analogschalter 436 auf, die in einem differentiellen Multiplexmodus arbeiten. Die zwei X-auf-1-Analogschalter 436 sind gemäß Break-Before-Make-Charakteristiken gekoppelt, um während eines Umschaltvorgangs zwischen Zellen einen Hochstromkurzschluß zu verhindern. Der A/D-Wandler 434 weist einen effektiven Differenzeingang auf, wobei die Eingangssignale tiefpaßgefil tert und vor Hochspannungs-Schaltimpulsspitzen geschützt werden. Die Isolationsvorrichtung 432 führt Leistung für den A/D-Wandler 434 zu.
Der analoge Multiplexschalter 436 wird verwendet, um den positiven und den negativen Anschluß einer ausgewählten Zelle 438 in der Serienschaltung auf den positiven bzw. den negativen Eingang des A/D-Wandlers 434 zu schalten. Der Durchlaß- oder Ein-Widerstand der Analogschalter 436 ist wesentlich niedriger als der Verlustwiderstand der Isolationsvorrichtung 432. Durch diese Anordnung wird ermöglicht, daß die Spannung einer ausgewählten Zelle 438 ohne Verlust über die Eingänge des A/D-Wandlers 434 bereitgestellt wird. Der analoge Multiplexschalter 436 kann modifiziert werden, um die Spannung über die gesamte Serienschaltung von Zellen zu messen, indem ein Spannungsteiler-Widerstandsnetz an den Endanschlüssen der Serienschaltung von Zellen bereitgestellt wird.
Die optische Isolationsvorrichtung 432 stellt ein praktisch unendliches Gleichtakt-Unterdrückungs-Verhältnis bereit. Der A/D-Wandler 434 kann in einer seriellen Kommunikationsanwendung verwendet werden, die die Isolationsanforderung minimiert. Eine Isolierung wird für Logiksignale bereitgestellt, wodurch jegliche durch das Kommunikationsschema verursachte Fehler eliminiert werden. Ein für diese Anwendung geeigneter serieller Kommunikationsstandard ist der in der Motorola-Betriebsanleitung für den Mikrocontroller M68HC11 definierte Serial Periphal Interface (SPI) Standard.
Die 24–27 zeigen eine Ausführungsform einer in einem linearen Modus betriebenen Abgleichschaltung. In einem linearen Abgleichbetriebsmodus ist die durch die Abgleichschaltung verbrauchte Leistung dem Ladestrom und der Spannung über eine Zelle direkt proportional. In einer Ausführungsform regelt die lineare Abgleichschaltung Zellenspan nungen in der Größenordnung von 3 V mit einem auf etwa 5 A begrenzten Ladestrom. Daher wird durch diese Konfiguration eine Leistung von maximal etwa 15 W pro Zelle verbraucht.
In einer Ausführungsform arbeitet die Abgleichschaltung selbständig oder unabhängig und erfordert keine externen Steuersysteme. Insbesondere arbeitet jede lineare Abgleichvorrichtung 250 bezüglich anderen Abgleichvorrichtungen 250 und einem externen Controller oder Prozessor selbständig oder unabhängig. In einer anderen Ausführungsform kann ein externer Controller mit jeder der linearen Abgleichvorrichtungen 250 kommunizieren. Ein externer Mikrocontroller kann beispielsweise ein die Anweisung "Sollwert ersetzen" anzeigendes Steuersignal an alle Abgleichvorrichtungen 250 eines Moduls übertragen, wodurch der durch die Abgleichvorrichtungen 250 normalerweise verwendete Spannungs-Sollwert ersetzt wird. Außerdem kann der Mikrocontroller Temperatur- und Spannungsmeßwerte über einen Datenkanal übertragen, der dazu geeignet ist, die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen. Der Mikrocontroller kann außerdem verschiedenartige Verwendungen des Energiespeichermoduls überwachen und im Fall einer Störung Produktgarantie- und Validationsinformation übertragen.
Jede der linearen Abgleichvorrichtungen 250 arbeitet in einem linearen Modus und kann daher als "Nebenschlußspannungsregler" betrachtet werden. Die analoge Rückkopplungssteuerung 252 der Abgleichvorrichtung 250 überwacht kontinuierlich die Spannung über eine zugeordnete Zelle 256. Die Weise, auf die die analoge Rückkopplungsschaltung 252 auf den Spannungszustand der Zelle reagiert, ist durch eine charakteristische Kurve vorgegeben, z. B. durch die in 28 dargestellte Kurve, die derjenigen einer Super-Zenerdiode sehr ähnlich ist. Diese Kurve charakterisiert das Verhalten der analogen Rückkopplungssteuerung 252 in Antwort auf die Spannung über die Zelle 256.
Die analoge Rückkopplungssteuerung 252 weist einen fernprogrammierbaren Spannungsverstärker und einen Stromverstärker auf. Die analoge Rückkopplungssteuerung 252 steuert in Antwort auf den Spannungszustand der Zelle 256 (d. h. V_in) einen Leistungstransistor 258, der den Ladestromfluß über den Umleitungsstrompfad 260 steuert. In dieser Konfiguration ist der Leistungstransistor 258 die einzige Komponente, die Wärme abgibt.
Weil die Zellen 256 in Serie geschaltet sind, werden durch diese Anordnung Offset-Spannungen zwischen einzelnen Abgleichvorrichtungen 250 verursacht. Eine effektive Weise zum Berücksichtigen dieses Offset-Spannungsproblems besteht darin, eine Abgleichtechnik zu implementieren, gemäß der jede Abgleichvorrichtung 250 unabhängig von anderen Abgleichvorrichtungen 250 arbeitet, wobei die Abgleichvorrichtung 250 durch eine bestimmte Zelle 256 mit Leistung versorgt wird, mit der sie verbunden ist. Außerdem wird der Betriebsspannungs-Sollwert von einer gemeinsamen Referenzschaltung durch eine von der Offset-Spannung unabhängige Stromquelle übertragen. Auf ähnliche Weise wird die Zellenspannung unter Verwendung einer Stromquelle, die proportional zur Zellenspannung ist, an die gemeinsame Meßschaltung übertragen. Durch Empfangen von Sollwertinformation und Übertragen von Spannungsinformation unter Verwendung von Konstantstromquellen kann die zum vollständigen Berücksichtigen des Offset-Spannungsproblems erforderliche Schaltung wesentlich vereinfacht werden.
Es wird eine Präzisions-Referenzspannung verwendet, um den absoluten Spannungsarbeitspunkt zu setzen. Jeder Abgleichvorrichtung 250 ist eine Stromquelle zugeordnet. Jede Stromquelle erzeugt einen konstanten Strom, der von der Off set-Spannung unabhängig und zur Referenzspannung proportional ist. Die charakteristische Ladekurve einer Lithiumzelle, z. B. der in 5 dargestellten Zelle, zeigt, daß die Spannung über die Zelle den Ladezustand der Zelle geeignet widerspiegelt.
Um Zellen mit einer Genauigkeit von etwa 1% gleichmäßig zu laden, muß die Spannung der einzelnen Zellen in der Größenordnung von 10 mV bei einer Gesamtaufladung von 3 V angepaßt oder abgeglichen werden. Daher muß die Genauigkeit der Regelschaltung in der Größenordnung von 0,3% liegen, um eine Reproduzierbarkeit bei der Herstellung zu gewährleisten, ohne daß Nachstell- oder Justierprozesse ausgeführt werden müssen. Jede der Abgleichvorrichtungen 250 ist statisch strombegrenzend, um eine schädigende Leistungsaufnahme zu vermeiden. Dies wird durch Begrenzen des Treiberstroms der Leistungsstufe unter Verwendung eines Widerstandes 251 erreicht.
Zum Zweck der Flexibilität kann der Betriebsspannungs-Sollwert verändert und auf einen beliebigen gewünschten Pegel gesetzt werden. Dieses Merkmal kann auch zum Entladen der Zellen auf einen niedrigeren Sollwert verwendet werden, um während eines Bereitschaftsbetriebsmodus einen Abgleich in den Zellen zu ermöglichen. Der Betriebsspannungs-Sollwert kann typischerweise über den nutzbaren Spannungsbereich der Zellen 256 geändert werden.
In einer Ausführungsform kann die hierin beschriebene Abgleichschaltung auf einer elektronischen Leiterplatte angeordnet sein, die außerhalb des Energiespeichermoduls angeordnet ist. Die elektronische Leiterplatte, und insbesondere die Leistungstransistoren und/oder Lasttransistoren, können am Temperaturmanagementsystem des Moduls befestigt sein, das während eines Ladezyklus durch das Modul erzeugte Wärme abgibt. Leistungs- und Erfassungssignale können über einen Glasdichtungsverbinder an die Komponenten der elektronischen Leiterplatte übertragen werden. In einer anderen Ausführungsform ist die elektronische Leiterplatte, auf der die Abgleichschaltung montiert ist, im Modulgehäuse integriert, wobei die Leistungstransistoren und/oder Lastwiderstände an den Kühlkörperelementen des Temperaturmanagementsystems des Moduls mechanisch befestigt sind.
Die 29–39 zeigen eine Ausführungsform einer Hochstrom-Abgleichschaltung, die insbesondere zur Verwendung mit in Serie geschalteten Hochenergie-Speicherzellen geeignet ist. In einer Anwendung, in der die zum Laden einer Serienschaltung von Zellen (z. B. eines Moduls oder einer Batterie) erforderliche Zeit besonders wichtig ist, ist es wünschenswert, die während des Abgleichprozesses durch eine Abgleichschaltung fließende Strommenge zu maximieren. Durch Erhöhen der Stromtransportfähigkeit einer Abgleichschaltung können während eines Abgleichprozesses höhere Strommengen durch die Serienschaltung von Zellen geleitet werden, wodurch die zum vollständigen Aufladen der Zellen erforderliche Zeitdauer abnimmt. Wenn eine größere Umleitungsstrommenge durch die Abgleichsschaltung geleitet wird, wird jedoch in der Abgleichschaltung eine größere Wärmemenge erzeugt.
In vielen Anwendungen ist die durch eine bestimmte Vorrichtung leitbare Strommenge häufig durch die Fähigkeit der Vorrichtung, durch die Vorrichtung erzeugte Wärme abzugeben, begrenzt. Bei dem z. B. in 7 dargestellten Energiespeichermodul, das eine auf einer Verbindungsleiterplatte angeordnete Abgleichschaltung aufweist, wird durch die Abgleichschaltung erzeugte Wärme über das Temperaturmanagementsystem des Moduls abgegeben. In einer Ausführungsform eines Hochstrom-Abgleichschemas, z. B. bei dem in den 29–39 dargestellten Abgleichschema, ist die Abgleichschaltung dazu geeignet, einen Strom von mindestens 5 A durchzulassen, durch den etwa 15 W Verlustleistung entstehen.
In einer Modulkonfiguration, in der z. B. acht Abgleichschaltungen verwendet werden, muß das Temperaturmanagementsystem des Moduls in der Lage sein, etwa 120 W (15 W × 8) der durch die Abgleichschaltungen insgesamt erzeugten überschüssigen Wärme zu managen. Daher ist die Adäquatheit des Temperaturmanagementsystems des Moduls besonders wichtig, wenn ein Abgleichschema verwendet wird, durch das ein relativ großer Strom umgeleitet wird.
29 zeigt eine Ausführungsform einer Hochstrom-Abgleichschaltung 300 mit einem Abgleichmodul 302 und einem Mikrocontroller, z. B. einem in 20 dargestellten Mikrocontroller 214. Das Abgleichmodul 302 weist einen Umleitungsschalter 306 auf, der zu einer Energiespeicherzelle 304 parallelgeschaltet ist. Ein Signaltreiber 310 steuert den Umleitungsschalter 306 durch Übertragen eines Signals 311 zum Umleitungsschalter 306. Ein A/D-Wandler 308 mißt die Spannung über die Zelle 304 und wandelt das Analogspannungssignal in ein entsprechendes Digitalspannungssignal um. Durch die Konfiguration des parallel zur Zelle geschalteten Umleitungsschalters 306 wird ermöglicht, daß die Zelle innerhalb eines breiten Stromflußbereichs geladen oder entladen werden kann. Durch eine Opto-Isolationsvorrichtung 312 wird eine Spannungsisolierung zwischen dem Abgleichmodul 302 und dem Mikrocontroller 314 bereitgestellt. Dadurch wird das Abgleichmodul 302 vom Mikrocontroller 314 isoliert, wodurch der Mikrocontroller 314 vor in Verbindung mit der Hochspannungs-Serienschaltung auftretenden schädlichen Spannungspegeln geschützt wird.
Gemäß dieser Ausführungsform legt der Mikrocontroller 314 einen Spannungs-Sollwert oder -pegel fest, bei dem das Abgleichmodul 302 aktiviert wird. Im allgemeinen legt der Mikrocontroller 314 einen Spannungs-Sollwert fest, der über den nutzbaren Spannungsbereich der Zelle 304 verändert werden kann, und überträgt das der gemessenen Spannung und dem Spannungs-Sollwert entsprechende berechnete PWM-Signal 315 während des Lade- oder Entladezyklus zu einem beliebigen Zeitpunkt an das Abgleichmodul 302.
Die in 29 dargestellte Abgleichschaltung dient sowohl als Spannungsausgleichschaltung als auch als Überladungsschutzschaltung für die Zelle 304. Während eines Lade- oder Entladezyklus ist der Umleitungsschalter 306 typischerweise auf einen nichtleitenden Zustand eingestellt, bis die durch den A/D-Wandler 308 gemessene Spannung über die Zelle 304 einen durch den Mikrocontroller 314 festgelegten vorgegebenen Spannungs-Sollwert überschreitet. Wenn beispielsweise vorausgesetzt wird, daß durch den Mikrocontroller 314 ein Niedrigspannungs-Sollwert festgelegt wurde, bleibt der Umleitungsschalter 306 auf einem nichtleitenden Zustand, bis der vorgegebene Niedrigspannungs-Sollwert erreicht ist.
Wenn beispielsweise die Spannung über die Zelle 304 einen Abgleichspannungs-Sollwert oder einen Überladungsspannungs-Sollwert erreicht, erzeugt der Controller 314 ein PWM-Steuersignal 315, das über die Opto-Isolationsvorrichtung 312 übertragen und durch den Signaltreiber 310 empfangen wird. Der Signaltreiber 310 erzeugt in Antwort auf das PWM-Steuersignal 315 ein digitales Steuersignal 311, das den Umleitungsschalter 306 steuert. Um die Spannung der Zelle 306 bei einem konstanten Pegel zu halten, überträgt der Controller 314 PWM-Steuersignale 315 an das Abgleichmodul 302, um die zur Zelle 304 durchgelassene und die über den Umleitungsstrompfad 316 abgeleitete Strommenge zu steuern. Der Controller 314 kommuniziert typischerweise mit mehreren Energiespeichermodulen, die jeweils typischerweise mehrere Abgleichmodule 302 aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform eines Batteriesystems, das mehrere miteinander verbundene selbständige Energiespeichermodule aufweist, empfängt ein Batterieplattformcomputer Zellenspannungsinformation von einem in jedem Modul bereitgestellten Prozessor oder Controller 314. In dieser Konfiguration wählt der Batterieplattformcomputer typischerweise jedes der Module aus und ruft mit dem Spannungszustand der Zellen oder von Zelleineinheiten in Beziehung stehende Information ab. Unter Verwendung der abgerufenen Spannungsinformation bestimmt der Batterieplattformcomputer wann und bei welchem Spannungspegel der Zellenabgleichprozeß aktiviert werden sollte, z. B. am Ende eines Ladezyklus, vor einem Ladezyklus oder an Anfang oder Ende eines Entladezyklus.
30 zeigt mehrere einzelne Abgleichmodule 302, die jeweils mit einer einzelnen Energiespeicherzelle 304 verbunden sind. Die Zellen 304 sind in Serie geschaltet, um ein Hochspannungsmodul oder eine Batterie zu bilden. 30 zeigt den Entladestromfluß durch eine Last 320, und 31 zeigt den durch ein Ladegerät 322 erzeugten Ladestromfluß durch die Serienschaltung von Zellen. Während eines Entladezyklus fließt, wie in 30 dargestellt ist, ein Entladestrom I_D durch die Serienschaltung der Zellen und die Last 320. Weil die Anfangsspannung über jede der Zellen 304 typischerweise niedriger ist als ein vorgegebener Abgleich-Sollwert, befindet sich jeder der Umleitungsschalter 306 in einem nichtleitenden oder AUS-Zustand. Daher kann der Entladestrom I_D sehr hoch sein, z. B. 400 A Peak- bzw. Spitzenstrom betragen.
Während eines Ladezyklus fließt, wie in 31 dargestellt ist, ein Ladestrom I_C vom positiven Anschluß des Ladegeräts 322 über die Serienschaltung der Zellen und fließt über den negativen Anschluß des Ladegeräts 322 zurück. Am Anfang des Ladezyklus wird den Zellen 304 der gesamte Lade strom zugeführt, und die Abgleichmodule 302 befinden sich in einem nicht-aktivierten Zustand. Daher kann der Ladestrom I_C sehr hoch sein, bis die Abgleichmodule aktiviert werden.
Die Spannung über jede Zelle 304 wird durch einen zugeordneten A/D-Wandler 308 überwacht, der z. B. ein serieller 12-Bit-A/D-Wandler sein kann. Der A/D-Wandler 308 überträgt die Spannungsinformation über eine durch die Opto-Isolationsvorrichtungen 132 bereitgestellte isolierte Verbindung zum Mikrocontroller 314. Der Controller 314 erzeugt PWM-Steuersignale 315, die jedem der Abgleichmodule 302 zugeführt werden. In Antwort auf die Steuersignale 315 steuern die einzelnen Abgleichmodule 302 den zu ihrer zugeordneten Zelle 304 oder ihrem zugeordneten Umleitungsstrompfad 316 fließenden Strom auf die vorstehend unter Bezug auf 29 beschriebene Weise.
32 zeigt eine detaillierte Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abgleichmoduls. In dieser Ausführungsform managt ein (nicht dargestellter) Mikrocontroller die Operation des Abgleichmoduls 330 z. B. durch Definieren von Abgleichspannungs-Sollwerten, Erzeugen von PWM-Steuersignalen und Festlegen von Zellenspannungspegeln. Eine Spannungsisolierung zwischen dem Mikrocontroller und dem Abgleichmodul 330 wird durch Opto-Isolatoren OPTO 1–4 bereitgestellt.
Der Mikrocontroller steuert den A/D-Wandler, wenn das Potential über die Zelle 332 bestimmt wird, durch Zuführen geeigneter Signale zu Eingängen CLK/E und CONVERT 340, 341 des Abgleichmoduls. Ein die gemessene Spannung der Zelle 332 darstellendes Signal wird am Ausgang D_out 338 bereitgestellt. Wenn der Mikrocontroller bestimmt, daß die durch den A/D-Wandler 334 gemessene Zellenspannung kleiner ist als der vorgegebene Abgleichspannungs-Sollwert oder der Überspannungs-Sollwert, hat das PWM-Ausgangssignal am Knoten 336 ei nen niedrigen Pegel, und der Leistungs-MOSFET-Transistor 342 ist aus- oder auf einen nichtleitenden Zustand geschaltet. Während dieser Zeitdauer wird der Zelle 332 der gesamte Ladestrom I_C zugeführt. 33B zeigt ein Äquivalenzschaltbild des Abgleichmoduls 330, wenn der Transistor 342 auf einen nichtleitenden Zustand eingestellt ist.
Wenn die Spannung über die Zelle 332 einen Spannungs-Sollwert erreicht, erzeugt der Controller ein digitales PWM-Signal, das eine PID-Funktion der gemessenen Zellenspannung und verschiedener Ladeparameter ist, wie beispielsweise des Abgleichspannungs-Sollwertes, von Filterzeitkonstanten und der Abtastfrequenz. 33A zeigt ein Äquivalenzschaltbild der Abgleichschaltung 330, wenn der Transistor 342 auf einen leitenden Zustand geschaltet ist.
33A zeigt außerdem, daß, wenn der Transistor 342 auf einen leitenden Zustand geschaltet ist, ein Ladestrom über einen Widerstand 344 und den Transistor 342 abgeleitet wird, die einen Umleitungsstrompfad 346 definieren. Außerdem fließt Strom von der Zelle 332 in den Umleitungsstrompfad 346 und wird über den Widerstand 344 und den Transistor 342 geleitet. Während der Zeitdauer, in der der Transistor 342 leitend ist, ist die durch den Transistor 342 aufgenommene Leistung durch folgende Gleichung gegeben: PT-ave = RDSon·(Iequal-ave)2 [4]
Der Widerstand 344 nimmt nahezu die gesamte Leistung auf, die durch die folgende Gleichung gegeben ist: PR-ave = R1·(Iequal-ave)2 [5]wobei P_T-ave die durch den Transistor aufgenommene mittlere Leistung, R_DSon den Drain-Source-Widerstand des Transistors in einem leitenden Zustand, I_equal-ave den durch den Umleitungsstromweg der Abgleichschaltung fließenden mittleren Strom, P_R-ave die durch den Widerstand 344 aufgenommene mitt lere Leistung und R₁ den Widerstandswert des Widerstands 344 bezeichnen.
Die durch den Stromfluß durch die Abgleichschaltung 330 erzeugte Wärme wird typischerweise durch ein mit der Abgleichschaltung 330 verbundenes Temperaturmanagementsystem gemanagt. Typischerweise sind die Abgleichschaltung 330, und insbesondere der Transistor 342 und der Widerstand 344, an einem mit dem Temperaturmanagementsystem verbundenen Kühlkörper befestigt, z. B. mit einer Kupferbasisplatte oder einer metallischen Halterungsstruktur.
Wenn die Zelle 332 einen vollständig aufgeladenen Zustand erreicht, nimmt der Tastgrad des Transistors 342 im leitenden Zustand zu, um einen größeren Prozentanteil des Ladestroms über den Umleitungsstrompfad 346 umzuleiten. Der mittlere Strom Iequal-ave der Abgleichschaltung, nachdem die Zelle einen vollständig aufgeladenen Zustand erreicht hat, ist gegeben durch: Iequal-ave = Vcell/R)·D [6] D = Ton/T [7]wobei D den Tastgrad bzw. Arbeitszyklus des durch den Mikrocontroller oder Signaltreiber erzeugten Steuersignals darstellt. Der über die Zelle geleitete mittlere Strom ist gegeben durch: Icell-ave = Icharger – Iequalizer [8]
Der Graph von 34 zeigt verschiedene mit einer Zelle, einer Abgleichschaltung und einem Ladegerät in Beziehung stehende Spannungs- und Stromwellenformen in der Endphase eines Abgleichprozesses. Im Bereich 1 des Graphen ist ersichtlich, daß die Zelle den gesamten Ladestrom empfängt und kein Ladestrom über die Abgleichschaltung umgeleitet wird. Im Bereich 2 des Graphen wird die Abgleichschaltung aktiv, wobei ein relativ kleiner Prozentanteil des Ladestroms für den Stromumleitungspfad umgeleitet wird. Im dritten Bereich des Graphen wird der gesamte durch das Ladegerät zugeführte Strom über die Abgleichschaltung umgeleitet.
35 zeigt eine graphische Darstellung einer Spannungswellenform für eine Zelle, auf die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochleistungs-Abgleichprozesses angewendet wird. Der Ladeparameter V_set stellt den Abgleichspannungs-Sollwert dar, bei dem ein Abgleichprozeß aktiviert wird. Der Ladeparameter ±V_H1 stellt einen Toleranzbereich oder eine Hysterese dar, die in Verbindung mit dem Abgleichspannungs-Sollwert Vset auftritt. Diese Parameter werden typischerweise durch den Controller festgelegt. 36 zeigt ein Diagramm eines digitalen Steuersignals, das durch die dem Umleitungstransistor steuernde Signaltreiberschaltung erzeugt wird. In den 35-36 sind sechs spezifische Bereiche von Interesse dargestellt.
Im Bereich 1 ist die Zellenspannung niedriger als der Spannungs-Referenzwert V_set, wobei der untere Hystereseschwellenwert –V_H1 berücksichtigt wurde. Bei diesem Zellenpotential wird durch den Controller oder Signaltreiber kein Steuersignal erzeugt, so daß der Transistor 342 ausgeschaltet bleibt. Dadurch wird der gesamte Ladestrom der Zelle 332 zugeführt. Im Bereich 2 liegt die Zellenspannung innerhalb des Hysteresebereichs V_H1 (d. h. zwischen [V_set + V_H1] und [V_set – V_H1]). Innerhalb dieses Hysteresebereichs wird durch den Controller kein Steuersignal erzeugt, und der Transistor verbleibt in einem nichtleitenden Zustand. Im Bereich 3 überschreitet die Zellenspannung den oberen Hystereseschwellenwert +V_H1. In Antwort darauf erzeugt der Controller PWM-Impulse, und der Signaltreiber erzeugt Steuersignale, die den Transistor veranlassen, zwischen einem nichtleitenden und einem leitenden Zustand umzuschalten. Dadurch wird der Ladestrom über den Stromumleitungspfad 346 umgeleitet.
Wenn der Transistor 342 leitend ist, nimmt die Zellenspannung ab. Wenn die Zellenspannung innerhalb des Hysteresebereichs liegt, wie im Bereich 4 dargestellt ist, bleibt der Tastgrad des Steuersignals konstant. Wenn die Zellenspannung weiter abnimmt und den unteren Hystereseschwellenwert –V_H1 unterschreitet, wie im Bereich 5 dargestellt ist, nimmt der Tastgrad ab, bis die Zellenspannung den Wert V_cell = V_set – V_H1 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird der Tastgrad des Steuersignals erneut konstant. Wenn der gesamte Ladestrom über den Stromumleitungsweg 346 abgeleitet wird (d. h., wenn die Zelle vollständig aufgeladen ist), wie im Bereich 6 dargestellt ist, wird der Tastgrad des Steuersignals konstant und minimal.
37 zeigt mehrere den Bereichen 3 und 6 des in 35 dargestellten Graphen entsprechende Stromwellenformen. 37 zeigt der Gate-Source-Spannung (V_GS) des Transistors, dem Umleitungsstrom der Abgleichschaltung und dem Zellenstrom entsprechende Stromwellenformen in Antwort auf durch den Signaltreiber erzeugte Steuersignale. Die in 35 dargestellte Spannungswellenform zeigt eine sehr kleine Welligkeit, die aufgrund des Strompulsmodus der in 37 dargestellten Abgleichoperation erhalten wird.
38 zeigt eine Ausführungsform eines Abgleich- und Umleitungsmoduls 350, das eine Schaltung zum Ausführen von Zellenabgleich- und Zellenumleitungsfunktionen aufweist. Durch die Umleitungsvorrichtung wird, falls sie aktiviert ist, eine defekte Zelle oder Zelleneinheit von einer Serienschaltung von Zellen elektrisch isoliert. Die Umleitungsvorrichtung weist typischerweise eine elektrisch oder thermisch aktivierte Sicherung auf, die, falls sie ausgelöst wird, die defekte Zelle wirksam von der Serienschaltung trennt.
Das Abgleich- und Umleitungsmodul weist eine elektronische Steuerungsleiterplatte 354 auf, die in einem isolierten Bereich oder in einer Kammer des Modulgehäuses angeordnet ist, um die Wärmeableitung zu verbessern. Ein Leistungs-MOSFET-Transistor 356 und ein Lastwiderstand 358, die auf einer Verbindungsleiterplatte angeordnet sind, stehen ebenfalls mit einem Kupfer-Wärmeleiter in thermischem Kontakt. Das Modul 350 weist einen positiven und einen negativen Kupfermetallanschluß 362, 360 auf, die an der in 39 dargestellten Verbindungsleiterplatte 370 montiert sind. Gemäß dieser Konfiguration ist das Abgleich- und Umleitungsmodul 350 in einem 0,625'' hohen Gehäuse 352 hermetisch abgedichtet aufgenommen.
39 zeigt eine Darstellung einer Verbindungsleiterplatte 370, auf der das in 38 dargestellte Abgleich- und Umleitungsmodul 370 montiert ist. Die Verbindungsleiterplatte 370 wird typischerweise aus einer Kupfer-Basisplatte oder einer maschinengefrästen Kupferplatte mit einer Dicke von etwa 0,05'' hergestellt. Die Verbindungsleiterplatte 370 weist einen positiven und einen negativen Anschluß 372, 374 auf, die typischerweise mit anderen in Serie geschalteten Energiespeichermodulen verbunden sind. Außerdem ist eine an der Verbindungsleiterplatte 370 montierte integrierte Sicherungseinheit 376 dargestellt, die mehrere einzelne Sicherungen aufweist, die jeweils mit einer zugeordneten Zelle 304 in Serie geschaltet sind.
Die durch das Abgleich- und Umleitungsmodul 350 erzeugte Wärme wird über den positiven und den negativen Anschluß 362, 360 der Moduleinheit 350 entlang der wärmeleitenden Oberflächen der Verbindungsleiterplatte 370 und schließlich zum Temperaturmanagementsystem des Energiespeichermoduls geleitet. Gemäß dieser Konstruktion ist das Abgleich- und Umleitungsmodul 350 in der Lage, während eines Lade- oder Entladezyklus einen Strom von mindestens 5 A umzuleiten und etwa 15 W Leistung abzugeben.
Die verschiedenen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können natürlich auf verschiedene Weise modifiziert oder ergänzt werden. Beispielsweise können die erfindungsgemäßen Prinzipien in Verbindung mit Batterietechniken verwendet werden, die von Techniken verschieden sind, in denen Lithium-Polymer-Elektrolyte verwendet werden, z. B. mit Techniken, in denen Nickel-Metall-Hydrid- (Ni-MH), Lithiumionen- (Li-Ion) verwendet werden, und mit anderen Hochenergiebatterietechniken. Daher ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht durch die vorstehend diskutierten besonderen Ausführungsformen, sondern ausschließlich durch die beigefügten Patentansprüche definiert.

Claims

Verfahren zum Laden von in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen mit den Schritten: Zuführen eines Ladestroms zu den elektrochemischen Zellen, um zu veranlassen, daß eine Spannung in jeder der in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen ansteigt; Bereitstellen eines regelbaren Nebenstrompfades parallel zu jeder der in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen, über den der gesamte Ladestrom oder ein Teil des Ladestroms fließen kann; Leiten einer zunehmenden Menge des Ladestroms in Antwort darauf, daß die Spannung einer bestimmten elektrochemischen Zelle einen vorgegebenen Spannungs-Sollwert erreicht, über den Nebenstrompfad der bestimmten elektrochemischen Zelle, ohne daß der den anderen elektrochemischen Zellen zugeführte Ladestrom unterbrochen wird, bis die Spannung der bestimmten elektrochemischen Zelle sich bei einem zweiten Spannungs-Sollwert stabilisiert, wobei zu dieser Zeit der gesamte Ladestrom über den Nebenstrompfad geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt: Verhindern eines Überladens der bestimmten elektrochemischen Zelle durch graduelles Erhöhen der über den Nebenstrompfad geleiteten Ladestrommenge, bis die Spannung der bestimmten elektrochemischen Zelle einen Span nungsgrenzwert erreicht, bei dem der gesamte Ladestrom über den Nebenstrompfad geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die über den Nebenstrompfad geleitete Ladestrommenge um die bestimmte elektrochemische Zelle herum zu den anderen elektrochemischen Zellen geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Ladestrom alternierend der bestimmten elektrochemischen Zelle und dem Nebenstrompfad zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner mit dem Schritt zum Modulieren eines zur bestimmten elektrochemischen Zelle parallel geschalteten Schalters, um den Ladestrom der bestimmten elektrochemischen Zelle und dem zur bestimmten elektrochemischen Zelle parallel geschalteten Nebenstrompfad zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schalter unter Verwendung einer Pulsbreitenmodulations- oder einer Frequenzmodulationstechnik moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schritt des Zuführens des Ladestroms aufweist: Zuführen des Ladestroms mit einem im wesentlichen konstanten Pegel zu den elektrochemischen Zellen, bis die bestimmte elektrochemische Zelle den Spannungs-Sollwert erreicht; und Anlegen einer im wesentlichen konstanten Ladespannung mit einem ersten Spannungspegel über die elektrochemischen Zellen, wenn mindestens eine elektrochemische Zelle den Spannungs-Sollwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit dem Schritt: Vermindern des den elektrochemischen Zellen zugeführten konstanten Ladestrompegels um einen vorgegebenen Wert, bis alle elektrochemischen Zellen den Spannungs-Sollwert erreichen.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Schritt des Anlegens der im wesentlichen konstanten Ladespannung aufweist: Bestimmen des ersten Spannungspegels durch Summieren der gemessenen Spannungen der elektrochemischen Zellen, nachdem alle elektrochemischen Zellen den Spannungs-Sollwert erreicht haben.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt: Anlegen einer im wesentlichen konstanten Ladespannung mit einem bestimmten Spannungspegel über die elektrochemischen Zellen, bevor den elektrochemischen Zellen der Ladestrom mit einem im wesentlichen konstanten Pegel zugeführt wird, um einen Vorabgleich der elektrochemischen Zellen zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit den Schritten: Bestimmen einer Spannung jeder der in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen; Berechnen einer Spannungsdifferenz zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert der Spannungen der elektrochemischen Zellen; und Setzen des bestimmten Spannungspegels auf den Maximalwert, wenn die Spannungsdifferenz einen voreingestellten Grenzwert überschreitet, um den Vorabgleich der elektrochemischen Zellen zu aktivieren.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner mit den Schritten: Bestimmen einer Spannung jeder der in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen; Bestimmen eines Maximalwertes und eines Minimalwertes der Spannungen der elektrochemischen Zellen; und Anlegen einer konstanten Ladespannung mit dem Maximalwert über die elektrochemischen Zellen, bevor den elektrochemischen Zellen der Ladestrom mit einem im wesentlichen konstanten Pegel zugeführt wird, um den Vorabgleich der elektrochemischen Zellen zu aktivieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die elektrochemischen Zellen und der regelbare Nebenstrompfad in einem geschlossenen Gehäuse angeordnet sind, und wobei das Leiten einer zunehmenden Ladestrommenge der bestimmten elektrochemischen Zelle über den Nebenstrompfad innerhalb des geschlossenen Gehäuses ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der durch die bestimmte elektrochemische Zelle fließende Ladestrom digital geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei während der gesamten Zufuhr des Ladestroms die Spannung jeder elektrochemischen Zelle der in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen gemessen und die Spannungsdifferenzen zwischen der elektrochemischen Zelle mit der niedrigsten Spannung und den anderen elektrochemischen Zellen unterhalb eines Schwellenwertes gehalten wird, indem ein Teil des Ladestroms um jede elektrochemische Zelle herum geleitet wird, deren gemessene Spannung die niedrigste Spannung um einen Wert überschreitet, der größer ist als der Schwellenwert, wodurch während des gesamten Ladezyklus ein kontinuierlicher Abgleich zwischen den in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen erreicht wird.
Spannungsabgleichvorrichtung, die mit einer Ladeeinheit verbunden ist, die einen Ladestrom bereitstellt, wobei die Spannungsabgleichschaltung aufweist: mehrere in Serie geschaltete elektrochemische Zellen; mehrere Abgleicheinrichtungen, wobei jede der Abgleicheinrichtungen mit einer der mehreren elektrochemischen Zellen verbunden ist und aufweist: einen mit einer entsprechenden der elektrochemischen Zellen verbundenen Detektor zum Erfassen einer Spannung der entsprechenden elektrochemischen Zelle, wobei der Detektor einen Vergleicher aufweist, der eine Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der entsprechenden elektrochemischen Zelle und einer Referenzspannung bestimmt, wobei der Detektor ein mit der Spannungsdifferenz in Beziehung stehendes Ausgangssignal erzeugt; einen mit dem Detektor verbundenen Signalgenerator zum Erzeugen eines Steuersignals in Antwort auf das Detektorausgangssignal; und eine mit der entsprechenden elektrochemischen Zelle und dem Signalgenerator verbundene Nebenstromschaltung, wobei die Nebenstromschaltung in Antwort auf das Steuersignal einen Teil des Ladestroms leitet, so daß er um die entsprechende elektrochemische Zelle herum geleitet wird, ohne daß der den anderen der mehreren elektrochemischen Zellen zugeführte Ladestrom unterbrochen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Signalgenerator eine Frequenzmodulationsschaltung oder eine Pulsbreitenmodulationsschaltung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Signalgenerator ferner einen mit dem Detektor und einer monostabilen Vorrichtung verbundenen spannungsgesteuerten Oszillator aufweist, wobei die monostabile Vorrichtung mit der Nebenstromschaltung verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der Signalgenerator ferner aufweist: einen mit dem Detektor verbundenen spannungsgesteuerten Oszillator zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer Frequenz, die sich bezüglich einer Größe des Detektorausgangssignals ändert; und eine mit dem spannungsgesteuerten Oszillator und der Nebenstromschaltung verbundene monostabile Vorrichtung, die in Antwort auf das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators das Steuersignal mit einer festen Pulsbreite erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Nebenstromschaltung einen Umleitungsschalter aufweist, der in Antwort auf das Steuersignal zwischen einem leitenden Zustand und einem nicht-leitenden Zustand umschaltet, wobei der Umleitungsschalter im leitenden Zustand den Ladestromanteil um die entsprechende elektrochemische Zelle herum zu anderen der mehreren elektrochemischen Zellen leitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei die Nebenstromschaltung parallel zur entsprechenden elektrochemischen Zelle geschaltet ist und eine mit einem Transistor verbundene Spule aufweist, wobei die Spule und der Transistor einen Nebenstrompfad definieren, über den der Ladestromanteil in Antwort auf das Steuersignal geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei die mehreren elektrochemischen Zellen Leistung für die Spannungsabgleichvorrichtung bereitstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei jede der Abgleicheinrichtungen bezüglich anderen der mehreren Abgleicheinrichtungen unabhängig arbeitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, wobei jede der Abgleicheinrichtungen einen Prozessor aufweist, der die Umleitung des Ladestromanteils um die entsprechende elektrochemische Zelle zu anderen der mehreren elektrochemischen Zellen steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 24, ferner mit einem mit jedem der Abgleicheinrichtungsprozessoren verbundenen Systemprozessor.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei jede der Abgleicheinrichtungen aufweist: eine Analogüberwachungsschaltung mit einem ersten und einem zweiten Spannungseingang, die über eine entsprechende der elektrochemischen Zellen verbunden sind, wobei die Analogüberwachungsschaltung eine Spannung der entsprechenden elektrochemischen Zelle erfaßt; und einen Leistungstransistor mit einer mit einem Ausgang der Analogüberwachungsschaltung verbundenen Gate-Elektrode und einem Kollektor und einem Emitter, die über die entsprechende elektrochemische Zelle so verbunden sind, daß ein Nebenstrompfad definiert wird, wobei die Analogüberwachungsschaltung in Antwort auf die erfaßte Spannung die Gate-Elektrode des Leistungstransistors steuert, um so einen Stromfluß über den Nebenstrompfad zu überwachen; wobei die Verlustleistung des Leistungstransistors mit der erfaßten Spannung der entsprechenden elektrochemischen Zelle und dem Ladestrom linear in Beziehung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei die Verlustleistung des Leistungstransistors der erfaßten Spannung der entsprechenden elektrochemischen Zelle und dem Ladestrom jeder der Abgleicheinrichtungen direkt proportional ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, wobei im wesentlichen die gesamte jeder der Abgleicheinrichtungen zugeordnete Wärme durch den Leistungstransistor erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 26, 27 oder 28, wobei die Analogüberwachungsschaltung die Gate-Elektrode des Leistungstransistors in Antwort auf die erfaßte Spannung gemäß einer Super-Zenerdiodencharakteristik steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei die Analogüberwachungsschaltung einen abgesetzten Sen sorspannungsverstärker und einen Stromverstärker aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 30, wobei jede der Abgleicheinrichtungen eine einem Spannungs-Sollwert entsprechenden Sollwert-Steuerung von einem Controller empfängt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 31, wobei jede der Abgleicheinrichtungen durch ihre zugeordnete elektrochemische Zelle mit Leistung versorgt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 32, wobei: zwischen den Abgleicheinrichtungen Offset-Spannungen induziert werden; und ein Spannungs-Sollwert jeder der Abgleicheinrichtungen von einer gemeinsamen Referenzschaltung durch eine Stromquelle übertragen wird, die von der Offset-Spannung unabhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei die erfaßte Spannung jeder der elektrochemischen Zellen einer gemeinsamen Meßschaltung unter Verwendung einer Stromquelle übertragen wird, die der Spannung der entsprechenden elektrochemischen Zelle proportional ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 34, wobei die mehreren elektrochemischen Zellen prismenförmige elektrochemische Dünnschichtzellen aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 35, wobei die mehreren elektrochemischen Zellen Energiespeicher module bilden, wobei jedes der Energiespeichermodule mehrere elektrochemische Dünnschichtzellen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 35, wobei die mehreren elektrochemischen Zellen mehrere elektrochemische Zellen aufweisen, die parallel zueinander angeordnet sind, um mehrere elektrisch unabhängige Zelleneinheiten zu bilden, wobei die mehreren elektrisch unabhängigen Zelleneinheiten in Serie angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 37, ferner mit einem von der Ladeeinheit getrennten geschlossenen Gehäuse, wobei die elektrochemischen Zellen und die Abgleicheinrichtungen jeweils im geschlossenen Gehäuse angeordnet sind.